鋰離子電池輕薄鋁塑復(fù)合膜的熱封條件

鄭育英，黃文濤，付成波，黃天侯

(1.廣東工業(yè)大學(xué)輕工化工學(xué)院，廣東 廣州 510006;2.廣州市天球?qū)崢I(yè)有限公司，廣東 廣州 510400)

軟包裝電池可制作成各種形狀、尺寸，具有大的靈活性，同時(shí)，可以滿(mǎn)足更高的能量密度要求，因此聚合物輕薄鋁塑復(fù)合膜包裝的鋰離子電池市場(chǎng)較為廣闊［1－3］。近年來(lái)，對(duì)鋰離子電池能量密度的要求越來(lái)越高，對(duì)包裝鋁箔的厚度要求也越來(lái)越薄，有的廠(chǎng)家已研制出厚度為86 μm、81 μm，甚至更薄的輕薄鋁塑復(fù)合膜，對(duì)熱封條件的要求也更茍刻。

本文作者通過(guò)改變封頭溫度和熱封時(shí)間，分析86 μm 厚的輕薄鋁塑復(fù)合膜的理想封裝條件，以期提高封裝效果。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

輕薄鋁塑復(fù)合膜(日本產(chǎn)，86 μm 厚)共分3 層:最內(nèi)層是用來(lái)熔合和提供密封的聚丙烯(PP)層，30 μm 厚，不會(huì)被電解液溶解;中間為鋁層，35 μm 厚，阻止水分滲透，并有一定的強(qiáng)度;最外層為尼龍層，15 μm 厚，阻止空氣滲透，并保護(hù)鋁層不被劃傷。PP 層與鋁層之間、鋁層與尼龍層之間涂膠的面密度分別為2～3 g/m2和4～5 g/m2，均為3 μm 厚。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

用STA449C 熱重分析儀(德國(guó))測(cè)定內(nèi)層PP 的融化溫度，分析PP 的熱穩(wěn)定性，升溫速度為10℃/min。

將兩塊尺寸為100 mm ×100 mm 的復(fù)合膜PP 層對(duì)PP層放置，將Hioki 8430-21 多路測(cè)溫儀(日本)的探頭夾在中間。用200 mm 長(zhǎng)、4 mm 寬的銅制封頭，以1.0 MPa 的壓力、在高于PP 熔點(diǎn)的不同溫度下將兩層PP 熔合一定時(shí)間。為獲得經(jīng)電解液浸泡后的封裝溫度(PP 的融化特性與電解液浸泡情況有關(guān))，將復(fù)合膜浸泡在電解液1 mol/L LiPF6/PC+DEC(體積比1∶1，日本產(chǎn)，電池級(jí))中，加熱至85℃并保溫4 h，自然冷卻后取出，用無(wú)塵紙擦去尼龍表面的電解液。用同樣的方法，在190℃下將兩層PP 熔合3 s，得到PP 受電解液影響后的封裝升溫曲線(xiàn)。

用寬度為6 mm 封頭(黃銅)在不同的封裝溫度下將PP封好后，剪去封印附近的溢膠區(qū)，使封印的寬度為4 mm，同時(shí)制成15 mm 長(zhǎng)樣品，在A(yíng)I-7000S 拉力計(jì)(廣東產(chǎn))上測(cè)試PP 間的剝離力，檢測(cè)封裝可靠性。用VHX-600 顯微鏡(日本)觀(guān)察復(fù)合膜截面處的溢膠情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 PP 的DSC 分析

圖1 為PP 的DSC 曲線(xiàn)。

圖1 PP 的DSC 曲線(xiàn) Fig.1 DSC curve of PP

從圖1 可知，在160℃時(shí)，PP 有明顯的吸熱峰，熔化溫度在160℃左右。為了使PP 更好地熔合，熱封時(shí)施加在PP 上的溫度要高于160℃;同時(shí)，要考慮最外層的尼龍隔熱與中間層的鋁導(dǎo)熱。綜合考慮，熱封時(shí)的最低溫度為170℃。

2.2 熱封溫度對(duì)PP 升溫的影響

圖2 為PP 的受熱溫升曲線(xiàn)。

圖2 PP 的受熱溫升曲線(xiàn)Fig.2 Temperature rise curve of PP after heated

從圖2 可知，封頭溫度為170℃時(shí)，測(cè)得的PP 實(shí)際溫度由室溫上升到160℃(PP 熔化溫度)大概需要0.8 s，在160～165℃間維持1.2 s;封頭溫度為180℃時(shí)，PP 受熱實(shí)際溫度由室溫上升到160℃大概需要0.4 s，在此溫度上約維持1.6 s，最高溫度為173℃，熱量由封頭傳遞到PP，溫度降低了約7℃。由此可知:熱封時(shí)，PP 兩側(cè)的加熱溫度必須高于170℃，同時(shí)，加熱時(shí)間不能少于1 s。

電解液浸泡后的PP 受熱后，溫度快速上升到為160℃，歷時(shí)約為1.5 s;達(dá)到160℃后，溫度還會(huì)緩慢升高至180℃，即PP 的最高溫度與設(shè)備設(shè)定的溫度有10℃的差距。達(dá)到PP 熔化點(diǎn)的時(shí)間約為電解液浸泡前的2 倍，原因是復(fù)合膜之間存在的電解液受熱蒸發(fā)，吸收了一定的熱量。為了保證熱封效果，熱封電解液浸泡后的復(fù)合膜時(shí)，時(shí)間要適當(dāng)延長(zhǎng)。

2.3 熱封溫度對(duì)PP 拉力的影響

PP 在不同溫度下的拉力見(jiàn)圖3。

圖3 PP 在不同溫度下的拉力Fig.3 Tension of PP at different temperatures

從圖3 可知，在熱封溫度低于PP 熔點(diǎn)的溫度(150℃和160℃)時(shí)，PP 未完全熔化，因此拉力很小;在熱封溫度為170℃時(shí)，拉力達(dá)到最大值;之后，隨著熱封溫度的上升，拉力下降。這是因?yàn)?溫度過(guò)高，PP 完全熔化，在壓力作用下會(huì)向外溢出，PP 結(jié)晶時(shí)，發(fā)生晶格變化，產(chǎn)生了微小的裂紋。

2.4 溫度對(duì)熱封封印截面的影響

不同熱封溫度的輕薄鋁塑復(fù)合膜封印兩側(cè)的溢膠情況見(jiàn)圖4。

圖4 熱封封印截面圖Fig.4 The cross section photographs of heat sealing seal

從圖4 可知，在熱封溫度較高時(shí)，壓力在復(fù)合膜兩側(cè)保持3 s，使熔融的PP 向側(cè)面流動(dòng)，造成鋁塑膜附近堆積了較多的PP;同時(shí)，溢膠附近的PP 內(nèi)側(cè)呈細(xì)絲狀。這是因?yàn)檩^高的溫度有較大的熱輻射，使附近的PP 軟化，在外力作用下呈細(xì)絲狀。這些細(xì)絲產(chǎn)生的微小裂紋，降低了電解液的隔絕作用，造成鋁層與電解液接觸，使電池發(fā)生腐蝕而漏液。

3 結(jié)論

對(duì)86 μm 厚的輕薄鋁塑復(fù)合膜進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)封裝溫度為170℃較理想。隨著封裝溫度的升高，PP 溢膠加重，會(huì)影響熱封的效果。

［1］HU Shao-jie(胡紹杰)，XU Bao-bo(徐保伯).鋰離子電池工業(yè)的發(fā)展與展望［J］.Battery Bimonthly(電池)，2000，30(4):171－174.

［2］LIU Sheng-qian(劉圣千).液態(tài)軟包裝鋰離子電池工藝及電化學(xué)性能研究［D］.Tianjin(天津):Tianjin University(天津大學(xué))，2003.

［3］Kohno K，Koishikawa Y，Yagi Y，et al.Development of an aluminum-laminated lithium-ion battery for hybrid electric vehicle application［J］.J Power Sources，2008，185(1):554－558.