铝塑膜是由外层尼龙层(on)、粘合剂、中间铝箔(Al)、粘合剂和内层热封层(CPP)组成的多层膜,是软包装锂电池的包装材料。电池用铝塑膜要求具有以下特性:
它具有极高的阻隔性能;
具有良好的热封性能;
材料耐电解质和强酸腐蚀;
具有良好的延展性、柔韧性和机械强度。
铝塑膜的主要成分是ON/AL/CPP,各层之间用粘合剂粘合。根据复合工艺的不同,铝塑膜可分为干法和热法,如图1所示。干法工艺是铝和聚丙烯用粘合剂粘合后直接压在一起,热法工艺是铝和聚丙烯用MPP粘合,然后慢慢加热加压。干法铝塑膜的主要优点是深冲成型效果好,外观一致性好,无针孔、鱼眼、杂质等缺陷,但其耐电解质性能较差。热处理可以提高al层和PP层之间的附着力,大大提高内表层防止电解液溶胀和脱落的能力。但这种经过特殊处理的MPP需要在更高的温度下熔化才能起到粘合作用。冷却后由于Al层和PP层收缩系数相差很大,容易向内卷曲。
图1 两种铝塑膜示意图
各部分作用
Nylon :可以有效阻止空气尤其是氧的渗透,维持电芯内部的环境,同时可以保证包装铝箔具备良好的形变能力。
Al :可以有效阻止空气中水分的渗透,维持电芯内部的环境,具有一定的厚度强度能够防止外部对电芯的损伤。
PP :不会被电芯内有机溶剂溶解、溶胀等,是电芯内部环境的最直接的包装保护,绝缘,有效阻止内部电解质等与 Al layer 接触,避免 Al layer 被腐蚀。
评价方法
为了全面了解锂电池用铝塑膜的性能,建立铝塑膜的性能评价标准,筛选出性价比好的铝塑膜产品,简要总结铝塑膜的性能评价方法。
【1】铝塑膜材料的外观
目视检查铝塑膜表面是否有凹坑和划痕,复合层之间是否有杂物和气泡。用千分尺测量铝塑膜至少10点的厚度和宽度,判断其均匀性。
【2】热封强度
在一定温度、时间和压力的包装条件下,将两片铝塑薄膜粘贴在拉片上,密封一定宽度并切成条状,用拉伸试验设备测试剥离强度。观察剥离后的铝塑膜内表层是否均匀,呈乳白色,要求Al层和内表层不分层。软包装材料的热封工艺参数主要包括热封时间、热封压力和热封温度。一般来说,这三个参数都需要优化调整,才能达到最佳的热封效果。
【3】深层渗透能力
用好的成型模具对铝塑膜进行深拉,在一定范围内调整成型深度,直到铝塑膜的边角发生断裂,记录断裂前的最大深度。深冲压后的铝塑膜必须满足以下条件:冲压坑四角最薄处不小于原厚度的50%,内层PP层厚度为60~65微米。否则电池化成后会有漏液点,严重影响电池性能。
【4】电解液的耐腐蚀性
在铝塑膜中,内层PP层和外围热封与电解液接触,这些地方必须有良好的耐电解液腐蚀性。成型后的铝塑膜两面密封焊接,不加极耳和电池,注入一定量的电解液,在一定温度下烘烤一定时间后观察。观察封焊后铝塑膜是否有腐蚀、渗漏、膨胀、分层现象。
【5】屏障性能
将包装袋置于水浴或高温高湿环境中,一段时间后取出,观察铝塑膜是否异常,通过称重或水分测试判断其吸水性,以表征铝塑膜的阻隔性能。
冲压成型工艺
铝塑膜冲坑成型过程示意图2如示,下,上模版与下模版(凹模)将铝塑膜夹紧,保持一定的压力P,凸模以平缓的速度向下运行,使铝塑膜达到要求的深度。
图2 铝塑膜冲压成型示意图
如图3,目前企业实际生产采用的冲压工艺有以下两种:( 1) 延伸性冲深:压边圈对铝塑膜压力较大,铝塑膜边缘部分被固定,被固定的部分不产生形变,难以对冲深部分进行补偿,成形时边缘部分完全由底部补偿,冲深浅,可调性差,目前采用较少;( 2) 补偿性冲深:压边圈对铝塑膜压力可调,铝塑膜冲深部位可由边缘及底部材料补偿,铝塑膜整体运动变形,厚度比较均匀,冲深能力强。
图3 铝塑膜冲压成型工艺对比
成形铝塑膜外壳如图4所示,其边角位置减薄最为严重,是影响成形铝塑膜外壳整体质量的关键性因素,公众号动力电池BMS,应该作为衡量锂离子电池铝塑膜外壳成形质量检验的关键点。影响铝塑膜冲压成形质量的工艺参数主要有模具 ( 凸模和凹模) 设计、压边力和冲压速度等。
图4 冲压成型铝塑膜
模具设计包括模具的长度和宽度、凸模和凹模的R角、模具的表面粗糙度、上凸模和下凹模的冲压间隙等。 凸模圆角半径和模具摩擦系数的选择对铝塑薄膜的冲压工艺质量有很大影响。当模具表面粗糙度过大时,摩擦力大,流动阻力相应增大,阻碍材料流动,不利于包装袋成型过程中的流动补充,导致铝塑膜冲压形成的铝层过薄。 冲孔的大小、深度、四角R角和边线R角根据电池的大小和铝塑膜的特性与冲孔模具相关。 打孔深度和R角有一个优化的关系,R角的设计也要和电池的大小相匹配,避免铝塑膜封装对电池边角的损伤。