用于圆柱形锂离子电池的注液工装
崔少华 王凤跃 魏丽雅

内容摘要：
由于锂离子电池电极材料的不断更新，电池性能也在不断提高，但同时也为电池的装配制造技术带来了极大的困难，这其中主要体现在对电池注电解液工序，目前已经变得尤为突出，使用原有工艺完成注液工序需要1个小时以上，该工序已经成为装配生产的瓶颈，为了解决这个问题，我们通过一种新的电池注液生产工装的设计，可以有效提高注液生产效率而且对现有的生产工艺几乎没有变化，还避免了研制新设备所而带来的风险和费用。该注液工装尤其适用于大容量高密度电池的注液生产。

关键词：注液、真空、工艺、效率

问题的提出：
为了适应目前电子行业产品的迅猛发展，市场对大容量电池和高安全性能的电池的需求非常迫切。所以电池的电极材料在不断的更新，这就对电池的装配制造技术提出了很高的要求，尤其是注液工艺，因为对电池注入电解液量的多少将直接影响到电池的安全和使用寿命，所以注液量精度要求是很高的，但由于电极材料的更新使注液很耗费时间，平均注液时间都在1个小时以上，所以在生产中，注液工序已经是整条生产线的生产瓶颈，为了提高电池的性能和提高电池的产量，都急需要求我们开发出一种用于大容量圆柱形锂离子电池的注液工装来满足市场的需求。

原因分析：
现有技术中的圆柱形锂离子电池的注液制造工艺流程依次包括以下步骤：安装注液工装——注液——抽真空——恢复大气压——静置（见图1）。锂离子电池注液工艺中关键的环节是抽真空，只有将空气尽可能的抽净才能快速的将电解液注入电池，那么在上述工艺过程中，由于随着电池容量的不断提升，电池内的物质碾压的密度越来越大，而且随着电极材料的更新，电极物质内的缝隙也变得很小，如此当电解液进入电池后，此时抽真空，许多缝隙内的细小的气泡在电解液的压力下不能释放出来，从而造成注液困难，降低了生产效率。
那么问题是出在了真空很难抽干净的环节上，于是我们仔细分析了进口设备的生产工艺，进口设备的工艺是先对电池抽真空，然后再将电解液注入电池，这样生产的好处是在电解液进入电池之前就先将空气抽干净了，因为此时电解液还没有进入电池极组，空气可以很容易的被吸出,所以当真空工序结束,电解液进入电池时，就能很快被电池极组吸收，从而节省了时间使生产效率得到提高。
当然进口设备也存在着其他难以解决的问题，那就是当电解液进入电池之前真空必须得到很好的保持，此时微小的泄露都会使真空度降低，从而影响注液效果，还会有部分电解液借机进入真空系统，严重的腐蚀设备，这些都是很难避免的，同时由此引起的设备故障修复更是困难。

图1
解决方案：
为了解决上述现有制造工艺中所存在的技术问题，我们发明了一种用于圆柱形锂离子电池注液工装，利用本发明实现注液工艺过程中是先将气体抽出后再让电解液进入电池，从而可以快速、方便的进行注液，提高了电池注液的生产效率。
本发明用于圆柱形锂离子电池的注液工装予以实现的技术方案是：包括设置在圆柱形管下端外部的密封圈，其可以与电池壳口内壁很好的密封，防止电解液渗出，所述圆柱形管内设置有分层板，所述分层板的外缘与所述圆柱形管壁密封连接，分层板上设置有小孔。（见图2）其中，所述小孔位于分层板的中间。分层板与所述圆柱形管为一体结构。
图2

1——密封圈；2——圆柱形管；3——小孔；4——分层板；5——下层；??? 6——上层；
图2
下面是使用本发明注液工装进行注液的工作原理及过程。由于本发明注液工装分为上下两层，密封圈1采用耐腐蚀材料制成，该密封圈1可以与电池壳口进行密封，从而防止电解液渗出；注液工装主体即圆柱形管2采用耐腐蚀材料制作，在分层板4中间设置有小孔3。当本发明注液工装安装到电池上时，此时对电池进行注液，电解液不会流入电池内，这是由于电解液处于注液工装的上层6，而注液工装的下层5与电池构成了相对封闭的空间，但由于在分层板4上设置有小孔3，在电解液表面张力的作用下，电解液会停留在注液工装的上层6，而不会进入下层5。因此，在注液后对电池进行抽真空时，电池内的空气会从小孔3内冒出，而电池内与真空箱的压力是一致的，所以电解液仍然不会进入电池，只有当真空箱恢复大气压时，电解液才会被压入电池内。从而实现了先真空后注液的工艺要求。而且真空与注液的切换变得很容易，不存在泄露的问题，同时避免了复杂的设备结构，也避免了设备维护的困难和高昂的成本。
图2-1和图2-3分别示出了现有技术和使用本发明圆柱形锂离子电池的注液工装进行注液的工艺流程是相同的，均包括以下步骤：安装注液工装——注液——抽真空——恢复大气压——静置；但从图2-1和图2-2中可见，两种注液工艺中所使用的注液工装有所不同，由于现有技术中注液工装只是一个下端外部设置有密封圈的圆柱形管，电解液先进入到电池极组，妨碍了抽真空时使电池内部空气的排出，所以，整个注液工艺过程的时间就延长了。而本发明注液工装由分层板4将注液工装分为上、下两层，防止了电解液在抽真空与恢复大气压之间不会进入电池极组，所以电池内部的空气会尽量抽出，从而缩短了注液时间，提高了生产效率。

图3

实施效果：
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：（1）通过注液工装的改进，能够实现先将电池内的空气抽光，然后再进行注液，即实现了先真空再吸收电解液的工艺，从而缩短了注液时间，其效率可达15只/分钟；（2）注液质量高，其注液量CPK为1.5；（3）结构简单，简便易行，维护方便，并且无需更新现有设备和工艺，节省了大量的资金。
由于真空注液设备机构复杂，维护困难，而采用本发明注液工装进行注液，无需更新现有设备和工艺，避免了研发新设备的风险，而且制作费用低廉，同时该工装耐腐蚀不易损坏，因此为公司节省了大量的资金；又由于本发明注液工装可以实现先真空再吸收电解液的工艺，所以注液时间大量减少，有效地提高了生产效率；本发明注液工装尤其适用于国内大容量高密度电池的注液生产。
该项技术已经于2007年3月正式申报国家知识产权局发明专利，专利申请号：200710056907.X

参考文献：
吴宇平 著 锂离子二次电池 化学工业出版社 2002-11第1版
机械设计手册编委会 新版机械设计手册 机械工业出版社 200年9月

作者简介：
第一作者：崔少华 天津力神电池股份有限公司 第二制造部工艺主任 电话：022-83716967
第二作者：王凤跃 天津力神电池股份有限公司 第二制造部部长 电话：022-83716920
第三作者：魏丽雅 天津力神电池股份有限公司 第二制造部工艺工程师 电话：022-83716967