軟包裝技術與聚合物鋰子電池
2014/11/11 9:52:51 點擊：
聚合物鋰離子電池被譽為二址一世紀的化學能源。聚合物理離子電池對軟包裝技術具有極高的要求。軟包裝技術對電池的容量、循環(huán)壽命等具有重要影響。本文著重敘述了聚合物鋰離子電池對軟包裝技術一般要求，闡述了該領域軟包裝技術的難點，描繪了聚合物鋰離子電池領域軟包裝材料的發(fā)展趨勢，對軟包裝材料在電池領域的發(fā)展?jié)摿M行了預測。
[關鍵詞]軟包裝技術 包裝設計 軟包裝材料 聚合物鋰離子電池
前 言
電池所能輸出的能量取決于活性物質的比容量和單體電池的電壓。金屬鋰是所有金屬中比容量最大的物質，其與C組成的電池對的輸出電壓高達3．6V以上，這些性質是其它金屬所不能比擬的。因此，很早人們就開始關注鋰電池的研究。由于金屬錘非�；顫�，直接用它制成電池，安全性極差，所以人們主要研究鋰離子可充電電池。1990年，世界上第一條生產鋰離子二次電池的生產線在日本建立。在短短的七八年內，鋰離子電池由于重量輕、容量大、循環(huán)壽命長（大于1000決）、無記憶效應（可隨用隨充而不影響性能）等，很快在手機、筆記本電腦等用電池領域擴大并居于絕對的優(yōu)勢。1996年，聚合物鋰離子電池在實驗室開發(fā)成功，鑒于聚合物鋰離子電池具有鋰離子電池的幾乎所有優(yōu)點，在電池的重量、形狀及安全性等方面具有更好的優(yōu)勢，因而也具有更廣泛的應用領域，立即在世界電池界引起了轟動，被譽為二十一世紀的化學能源。世界各國，特別是日本和美國的財閥投巨資進行研究和產業(yè)化。廈門寶龍工業(yè)是中國首家從事聚合物鋰離子電池生產的企業(yè)，目前的電池生產規(guī)模及所應用的軟包裝技術水平均與最發(fā)達國家相當。
1．聚合物鋰離子電池
從電化學反應的角度看，聚合物鋰離子電池與鋰離子電池沒有任何區(qū)別，甚至于聚合物鋰離子電池所用的電極材料及電解液等也與鋰離子電池相同。但是聚合物鋰離子電池內部沒有可移動的電解液，電池可以做成極薄的片狀和各種形狀，單片電池可做成0．6mm厚，這樣，在要求電池輕量化、小量化或對形狀有著較嚴格要求的領域，如手機、筆記本電腦、便攜式攝像機、軍用便攜工具、DVD影碟機乃至于電動車等，聚合物電池有著更為廣泛的應用優(yōu)勢和前景。
聚合物鋰離子電池的研制成功，主要在于三大技術的解決，即制膜技術、層壓技術和軟包裝技術。制膜技術解決了電池中不能含液態(tài)電解液的問題；層壓技術解決了單片電池的成形和單片電池的組裝問題；軟包裝技術則使電池片成為了電池并使電池具有了聚合物理離子電池的所有優(yōu)點。
2．軟包裝材料對聚合物鋰離子電池的影響
聚合物電池最后靠使用軟包裝材料來形成電池。嚴格說來，不能稱之為 包裝 ，因為在聚合物鋰離子電池領域， 軟包裝材料 與內容物一起形成了電芯，電芯再通過裝配而成電池，因此， 軟包裝材料 可以看成是電池的一個組成部分。但它用的材料是人們常見的包裝材料，而且確實主要是起保護內容物的作用，因此，人們習慣上仍稱之為 包裝 。正因為軟包裝材料可以看成是電池的一個組成部分，所以它對電池的各項性能具有重要影響。當電池中水、氧的含量達到一定的程度，聚合物鋰離子電池的容量將變小、電壓降加大、充不進電、放不出電、循環(huán)壽命下降，并可能最終導致電池的失效。軟包裝材料通過對水、氧的阻隔來達到對電池性能的維護，因此，軟包裝材料的阻隔性對電池具有重要影響。另外，軟包裝材料中的某些有機物質可能溶于電解液中產生電化學反應而破壞電池的性能；電解液如果被軟包裝材料所溶脹，將改變電解液的混合比例，對電池性能不利。
3．聚合物理離子電池對軟包裝材料的一般要求
聚合物鋰離子電池所用的軟包裝材料是鋁塑復合膜，一般要求如下：
�、倬哂袠O好的熱封合性
聚合物鋰離子電池對高溫非常敏感，一般使用溫度低于60℃，要求軟包裝材料在熱封強度足夠的情況下，熱封溫度越低越好。一般而言，熱封溫度應不高于150℃，采用更高的熱封溫度時，必須采用適當的邊緣降溫措施，以防止熱封時的傳導和輻射對電池起破壞作用。
②熱封性材料不與電鍍液起反應
軟包裝材料的內層材料既不能被電解液所溶解，又不能與電解液起溶脹作用。如果軟包裝材料被電解液所溶解，由于電池的工作電壓高達3．6V以上，所溶解的成份將發(fā)生電化學反應而產生氣體；如果軟包裝材料溶脹了電解放，將改變電解液的濃度而影響電池的性能。
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水蒸氣滲透系數要求達到10－4～10－6g/m2·d·1atm
氧氣滲透系數要求達到10－1～10－3cm3／m2·d·1atm
�、芫哂懈叩娜犴g性和機械強度
聚合物鋰離子電池的生產和裝配，對軟包裝材料的柔韌性提出了較高的要求；而使用過程中的安全性保障對軟包裝材料的機械強度及熱封強度提出了高的要求。
�、菥哂辛己玫哪碗娊庖呵峙莸哪芰�
軟包裝材料在包裝電芯之后，長期貯存和周轉之中，電解液不能發(fā)生滲漏現象。
4．軟包裝技術的難點
從上述聚合物理離子電池對軟包裝材料的一般要求中，即可發(fā)現制造所需的軟包裝材料具有較高的難度：
首先，軟包裝材料對阻隔性的要求，比普通的鋁塑復合材料的阻隔性高10000倍，這么高的阻隔性采用普通的復合材料及復合技術難以滿足要求。一般需要采用極厚的鋁箔，并采用4到7層結構的復合材料，綜合應用各種復合技術。如，在同一個材料的生產過程中，可能需要同時采用干復法、擠復法、連續(xù)擠復合法、三合一擠出法、熱復法或流涎復合法、多層共擠法等。這樣，對軟包裝材料的生產技術提出了較高的要求。
其次，復合內層熱封材料的選擇。聚合物鋰離子電池所用的電解液是由多種酯組成有機電解液，其中的電解質在存在水分的情況下會水解成酸性極強的物質。根據相似相溶原則，酯類有機物與多數熱封性材料具有可溶脹性，不與電解液起作用且必須有足夠強的耐酸性能的低熔點熱封性材料，比較難以尋找。
再者，包裝材料的設計難度較高。在設計軟包裝材料的過程中，既要保證上述五種要求的滿足，又要保證軟包裝材料的生產能夠實現，還要兼顧軟包裝材料對聚合物鋰離子電池的影響程度及聚合物鋰離子電池的發(fā)展趨勢（以不斷提前開發(fā)所需軟包裝材料），其困難度是較高的。
最后，軟包裝材料的質量判定周期長。由于聚合物鋰離子電池所要求的阻水。阻氧性能超過了包裝領域測試儀的最小精度，故很難定量地對所開發(fā)的軟包裝材料進行測試。現在一般采用的是實際包裝電池的最后判定法。根據電池的檢驗特性及軟包裝材料對電池的影響程度及影響速率，一般判定軟包裝材料最終是否合格的實驗需持續(xù)三個月以上。
5．軟包裝材料的發(fā)展趨勢
軟包裝材料的發(fā)展趨勢由聚合物鋰離子電池的發(fā)展趨勢及其應用領域的拓展而決定。聚合物鋰離子的發(fā)展有兩個趨勢：一個趨勢是電池向小型化、薄型化的方向發(fā)展；一種是向大容量和大功率充放電的方向發(fā)展。前者要求所需的軟包裝材料在阻隔性保證的前提下向更薄、更柔韌的方向發(fā)展；后者要求軟包裝材料的阻隔性向更高的方向發(fā)展并且與電解液的相互作用的程度向更小的方向發(fā)展。這兩種發(fā)展趨勢，對包裝材料的選擇、對包裝復合技術的要求、特別是對包裝材料結構設計的要求更高，由于軟包裝材料是電池成型的最后一道質量保證關口，對電池性能的影響又極大，因此，除了電池所需活性材料及制造工藝的進步之處，聚合物鋰離子電池的發(fā)展和應用領域的拓展，將主要取決于軟包裝技術及其材料的發(fā)展。
6．我國軟包裝材料的發(fā)展?jié)摿?BR> 目前我國的手機用戶已突破5000萬；1999年全國的筆記本電腦所用電池已全部改用鋰離子電池；便攜式攝像機、DVD影碟機等用電池的數量都非常巨大。若采用聚合物鋰離子電池，則每年所需的軟包裝材料價值23億元；電動車（電動汽車、電動摩托車、電動自行車）用電池更是電池的一個龐大的市場，聚合物鋰離子電池是開發(fā)中的最熱門的一種電池，若能開發(fā)成功，每年國內電池領域所消耗的軟包裝材料將達到3050億元�，F在，雖然國內只有廈門寶龍工業(yè)有限公司的聚合物鋰離子電池實現了產業(yè)化規(guī)模生產，但已有近十家企業(yè)已投資立項或處于中試生產階段，軟包裝技術是制約這些企業(yè)發(fā)展的重要技術問題。無論是為了推動聚合物鋰電池的研究進程還是作為軟包裝材料的市場，該領域的軟包裝技術的研究都是十分必要的。國外有專門的聚合物鋰電池用軟包裝技術的研究機構，而國內僅有極少數人從事此項研究。軟包裝材料的研究和應用應成為聚合物鋰離子電池研究和生產的一個重要內容。
[關鍵詞]軟包裝技術 包裝設計 軟包裝材料 聚合物鋰離子電池
前 言
電池所能輸出的能量取決于活性物質的比容量和單體電池的電壓。金屬鋰是所有金屬中比容量最大的物質，其與C組成的電池對的輸出電壓高達3．6V以上，這些性質是其它金屬所不能比擬的。因此，很早人們就開始關注鋰電池的研究。由于金屬錘非�；顫�，直接用它制成電池，安全性極差，所以人們主要研究鋰離子可充電電池。1990年，世界上第一條生產鋰離子二次電池的生產線在日本建立。在短短的七八年內，鋰離子電池由于重量輕、容量大、循環(huán)壽命長（大于1000決）、無記憶效應（可隨用隨充而不影響性能）等，很快在手機、筆記本電腦等用電池領域擴大并居于絕對的優(yōu)勢。1996年，聚合物鋰離子電池在實驗室開發(fā)成功，鑒于聚合物鋰離子電池具有鋰離子電池的幾乎所有優(yōu)點，在電池的重量、形狀及安全性等方面具有更好的優(yōu)勢，因而也具有更廣泛的應用領域，立即在世界電池界引起了轟動，被譽為二十一世紀的化學能源。世界各國，特別是日本和美國的財閥投巨資進行研究和產業(yè)化。廈門寶龍工業(yè)是中國首家從事聚合物鋰離子電池生產的企業(yè)，目前的電池生產規(guī)模及所應用的軟包裝技術水平均與最發(fā)達國家相當。
1．聚合物鋰離子電池
從電化學反應的角度看，聚合物鋰離子電池與鋰離子電池沒有任何區(qū)別，甚至于聚合物鋰離子電池所用的電極材料及電解液等也與鋰離子電池相同。但是聚合物鋰離子電池內部沒有可移動的電解液，電池可以做成極薄的片狀和各種形狀，單片電池可做成0．6mm厚，這樣，在要求電池輕量化、小量化或對形狀有著較嚴格要求的領域，如手機、筆記本電腦、便攜式攝像機、軍用便攜工具、DVD影碟機乃至于電動車等，聚合物電池有著更為廣泛的應用優(yōu)勢和前景。
聚合物鋰離子電池的研制成功，主要在于三大技術的解決，即制膜技術、層壓技術和軟包裝技術。制膜技術解決了電池中不能含液態(tài)電解液的問題；層壓技術解決了單片電池的成形和單片電池的組裝問題；軟包裝技術則使電池片成為了電池并使電池具有了聚合物理離子電池的所有優(yōu)點。
2．軟包裝材料對聚合物鋰離子電池的影響
聚合物電池最后靠使用軟包裝材料來形成電池。嚴格說來，不能稱之為 包裝 ，因為在聚合物鋰離子電池領域， 軟包裝材料 與內容物一起形成了電芯，電芯再通過裝配而成電池，因此， 軟包裝材料 可以看成是電池的一個組成部分。但它用的材料是人們常見的包裝材料，而且確實主要是起保護內容物的作用，因此，人們習慣上仍稱之為 包裝 。正因為軟包裝材料可以看成是電池的一個組成部分，所以它對電池的各項性能具有重要影響。當電池中水、氧的含量達到一定的程度，聚合物鋰離子電池的容量將變小、電壓降加大、充不進電、放不出電、循環(huán)壽命下降，并可能最終導致電池的失效。軟包裝材料通過對水、氧的阻隔來達到對電池性能的維護，因此，軟包裝材料的阻隔性對電池具有重要影響。另外，軟包裝材料中的某些有機物質可能溶于電解液中產生電化學反應而破壞電池的性能；電解液如果被軟包裝材料所溶脹，將改變電解液的混合比例，對電池性能不利。
3．聚合物理離子電池對軟包裝材料的一般要求
聚合物鋰離子電池所用的軟包裝材料是鋁塑復合膜，一般要求如下：
�、倬哂袠O好的熱封合性
聚合物鋰離子電池對高溫非常敏感，一般使用溫度低于60℃，要求軟包裝材料在熱封強度足夠的情況下，熱封溫度越低越好。一般而言，熱封溫度應不高于150℃，采用更高的熱封溫度時，必須采用適當的邊緣降溫措施，以防止熱封時的傳導和輻射對電池起破壞作用。
②熱封性材料不與電鍍液起反應
軟包裝材料的內層材料既不能被電解液所溶解，又不能與電解液起溶脹作用。如果軟包裝材料被電解液所溶解，由于電池的工作電壓高達3．6V以上，所溶解的成份將發(fā)生電化學反應而產生氣體；如果軟包裝材料溶脹了電解放，將改變電解液的濃度而影響電池的性能。
�、劬哂袡喔叩淖杷柩跣阅�
水蒸氣滲透系數要求達到10－4～10－6g/m2·d·1atm
氧氣滲透系數要求達到10－1～10－3cm3／m2·d·1atm
�、芫哂懈叩娜犴g性和機械強度
聚合物鋰離子電池的生產和裝配，對軟包裝材料的柔韌性提出了較高的要求；而使用過程中的安全性保障對軟包裝材料的機械強度及熱封強度提出了高的要求。
�、菥哂辛己玫哪碗娊庖呵峙莸哪芰�
軟包裝材料在包裝電芯之后，長期貯存和周轉之中，電解液不能發(fā)生滲漏現象。
4．軟包裝技術的難點
從上述聚合物理離子電池對軟包裝材料的一般要求中，即可發(fā)現制造所需的軟包裝材料具有較高的難度：
首先，軟包裝材料對阻隔性的要求，比普通的鋁塑復合材料的阻隔性高10000倍，這么高的阻隔性采用普通的復合材料及復合技術難以滿足要求。一般需要采用極厚的鋁箔，并采用4到7層結構的復合材料，綜合應用各種復合技術。如，在同一個材料的生產過程中，可能需要同時采用干復法、擠復法、連續(xù)擠復合法、三合一擠出法、熱復法或流涎復合法、多層共擠法等。這樣，對軟包裝材料的生產技術提出了較高的要求。
其次，復合內層熱封材料的選擇。聚合物鋰離子電池所用的電解液是由多種酯組成有機電解液，其中的電解質在存在水分的情況下會水解成酸性極強的物質。根據相似相溶原則，酯類有機物與多數熱封性材料具有可溶脹性，不與電解液起作用且必須有足夠強的耐酸性能的低熔點熱封性材料，比較難以尋找。
再者，包裝材料的設計難度較高。在設計軟包裝材料的過程中，既要保證上述五種要求的滿足，又要保證軟包裝材料的生產能夠實現，還要兼顧軟包裝材料對聚合物鋰離子電池的影響程度及聚合物鋰離子電池的發(fā)展趨勢（以不斷提前開發(fā)所需軟包裝材料），其困難度是較高的。
最后，軟包裝材料的質量判定周期長。由于聚合物鋰離子電池所要求的阻水。阻氧性能超過了包裝領域測試儀的最小精度，故很難定量地對所開發(fā)的軟包裝材料進行測試。現在一般采用的是實際包裝電池的最后判定法。根據電池的檢驗特性及軟包裝材料對電池的影響程度及影響速率，一般判定軟包裝材料最終是否合格的實驗需持續(xù)三個月以上。
5．軟包裝材料的發(fā)展趨勢
軟包裝材料的發(fā)展趨勢由聚合物鋰離子電池的發(fā)展趨勢及其應用領域的拓展而決定。聚合物鋰離子的發(fā)展有兩個趨勢：一個趨勢是電池向小型化、薄型化的方向發(fā)展；一種是向大容量和大功率充放電的方向發(fā)展。前者要求所需的軟包裝材料在阻隔性保證的前提下向更薄、更柔韌的方向發(fā)展；后者要求軟包裝材料的阻隔性向更高的方向發(fā)展并且與電解液的相互作用的程度向更小的方向發(fā)展。這兩種發(fā)展趨勢，對包裝材料的選擇、對包裝復合技術的要求、特別是對包裝材料結構設計的要求更高，由于軟包裝材料是電池成型的最后一道質量保證關口，對電池性能的影響又極大，因此，除了電池所需活性材料及制造工藝的進步之處，聚合物鋰離子電池的發(fā)展和應用領域的拓展，將主要取決于軟包裝技術及其材料的發(fā)展。
6．我國軟包裝材料的發(fā)展?jié)摿?BR> 目前我國的手機用戶已突破5000萬；1999年全國的筆記本電腦所用電池已全部改用鋰離子電池；便攜式攝像機、DVD影碟機等用電池的數量都非常巨大。若采用聚合物鋰離子電池，則每年所需的軟包裝材料價值23億元；電動車（電動汽車、電動摩托車、電動自行車）用電池更是電池的一個龐大的市場，聚合物鋰離子電池是開發(fā)中的最熱門的一種電池，若能開發(fā)成功，每年國內電池領域所消耗的軟包裝材料將達到3050億元�，F在，雖然國內只有廈門寶龍工業(yè)有限公司的聚合物鋰離子電池實現了產業(yè)化規(guī)模生產，但已有近十家企業(yè)已投資立項或處于中試生產階段，軟包裝技術是制約這些企業(yè)發(fā)展的重要技術問題。無論是為了推動聚合物鋰電池的研究進程還是作為軟包裝材料的市場，該領域的軟包裝技術的研究都是十分必要的。國外有專門的聚合物鋰電池用軟包裝技術的研究機構，而國內僅有極少數人從事此項研究。軟包裝材料的研究和應用應成為聚合物鋰離子電池研究和生產的一個重要內容。
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