软包装技术与聚合物锂子电池
2014/11/11 9:52:51 点击：
聚合物锂离子电池被誉为二址一世纪的化学能源。聚合物理离子电池对软包装技术具有极高的要求。软包装技术对电池的容量、循环寿命等具有重要影响。本文着重叙述了聚合物锂离子电池对软包装技术一般要求，阐述了该领域软包装技术的难点，描绘了聚合物锂离子电池领域软包装材料的发展趋势，对软包装材料在电池领域的发展潜力进行了预测。
[关键词]软包装技术 包装设计 软包装材料 聚合物锂离子电池
前 言
电池所能输出的能量取决于活性物质的比容量和单体电池的电压。金属锂是所有金属中比容量最大的物质，其与C组成的电池对的输出电压高达3．6V以上，这些性质是其它金属所不能比拟的。因此，很早人们就开始关注锂电池的研究。由于金属锤非常活泼，直接用它制成电池，安全性极差，所以人们主要研究锂离子可充电电池。1990年，世界上第一条生产锂离子二次电池的生产线在日本建立。在短短的七八年内，锂离子电池由于重量轻、容量大、循环寿命长（大于1000决）、无记忆效应（可随用随充而不影响性能）等，很快在手机、笔记本电脑等用电池领域扩大并居于绝对的优势。1996年，聚合物锂离子电池在实验室开发成功，鉴于聚合物锂离子电池具有锂离子电池的几乎所有优点，在电池的重量、形状及安全性等方面具有更好的优势，因而也具有更广泛的应用领域，立即在世界电池界引起了轰动，被誉为二十一世纪的化学能源。世界各国，特别是日本和美国的财阀投巨资进行研究和产业化。厦门宝龙工业是中国首家从事聚合物锂离子电池生产的企业，目前的电池生产规模及所应用的软包装技术水平均与最发达国家相当。
1．聚合物锂离子电池
从电化学反应的角度看，聚合物锂离子电池与锂离子电池没有任何区别，甚至于聚合物锂离子电池所用的电极材料及电解液等也与锂离子电池相同。但是聚合物锂离子电池内部没有可移动的电解液，电池可以做成极薄的片状和各种形状，单片电池可做成0．6mm厚，这样，在要求电池轻量化、小量化或对形状有着较严格要求的领域，如手机、笔记本电脑、便携式摄像机、军用便携工具、DVD影碟机乃至于电动车等，聚合物电池有着更为广泛的应用优势和前景。
聚合物锂离子电池的研制成功，主要在于三大技术的解决，即制膜技术、层压技术和软包装技术。制膜技术解决了电池中不能含液态电解液的问题；层压技术解决了单片电池的成形和单片电池的组装问题；软包装技术则使电池片成为了电池并使电池具有了聚合物理离子电池的所有优点。
2．软包装材料对聚合物锂离子电池的影响
聚合物电池最后靠使用软包装材料来形成电池。严格说来，不能称之为 包装 ，因为在聚合物锂离子电池领域， 软包装材料 与内容物一起形成了电芯，电芯再通过装配而成电池，因此， 软包装材料 可以看成是电池的一个组成部分。但它用的材料是人们常见的包装材料，而且确实主要是起保护内容物的作用，因此，人们习惯上仍称之为 包装 。正因为软包装材料可以看成是电池的一个组成部分，所以它对电池的各项性能具有重要影响。当电池中水、氧的含量达到一定的程度，聚合物锂离子电池的容量将变小、电压降加大、充不进电、放不出电、循环寿命下降，并可能最终导致电池的失效。软包装材料通过对水、氧的阻隔来达到对电池性能的维护，因此，软包装材料的阻隔性对电池具有重要影响。另外，软包装材料中的某些有机物质可能溶于电解液中产生电化学反应而破坏电池的性能；电解液如果被软包装材料所溶胀，将改变电解液的混合比例，对电池性能不利。
3．聚合物理离子电池对软包装材料的一般要求
聚合物锂离子电池所用的软包装材料是铝塑复合膜，一般要求如下：
①具有极好的热封合性
聚合物锂离子电池对高温非常敏感，一般使用温度低于60℃，要求软包装材料在热封强度足够的情况下，热封温度越低越好。一般而言，热封温度应不高于150℃，采用更高的热封温度时，必须采用适当的边缘降温措施，以防止热封时的传导和辐射对电池起破坏作用。
②热封性材料不与电镀液起反应
软包装材料的内层材料既不能被电解液所溶解，又不能与电解液起溶胀作用。如果软包装材料被电解液所溶解，由于电池的工作电压高达3．6V以上，所溶解的成份将发生电化学反应而产生气体；如果软包装材料溶胀了电解放，将改变电解液的浓度而影响电池的性能。
③具有权高的阻水阻氧性能
水蒸气渗透系数要求达到10－4～10－6g/m2·d·1atm
氧气渗透系数要求达到10－1～10－3cm3／m2·d·1atm
④具有高的柔韧性和机械强度
聚合物锂离子电池的生产和装配，对软包装材料的柔韧性提出了较高的要求；而使用过程中的安全性保障对软包装材料的机械强度及热封强度提出了高的要求。
⑤具有良好的耐电解液侵泡的能力
软包装材料在包装电芯之后，长期贮存和周转之中，电解液不能发生渗漏现象。
4．软包装技术的难点
从上述聚合物理离子电池对软包装材料的一般要求中，即可发现制造所需的软包装材料具有较高的难度：
首先，软包装材料对阻隔性的要求，比普通的铝塑复合材料的阻隔性高10000倍，这么高的阻隔性采用普通的复合材料及复合技术难以满足要求。一般需要采用极厚的铝箔，并采用4到7层结构的复合材料，综合应用各种复合技术。如，在同一个材料的生产过程中，可能需要同时采用干复法、挤复法、连续挤复合法、三合一挤出法、热复法或流涎复合法、多层共挤法等。这样，对软包装材料的生产技术提出了较高的要求。
其次，复合内层热封材料的选择。聚合物锂离子电池所用的电解液是由多种酯组成有机电解液，其中的电解质在存在水分的情况下会水解成酸性极强的物质。根据相似相溶原则，酯类有机物与多数热封性材料具有可溶胀性，不与电解液起作用且必须有足够强的耐酸性能的低熔点热封性材料，比较难以寻找。
再者，包装材料的设计难度较高。在设计软包装材料的过程中，既要保证上述五种要求的满足，又要保证软包装材料的生产能够实现，还要兼顾软包装材料对聚合物锂离子电池的影响程度及聚合物锂离子电池的发展趋势（以不断提前开发所需软包装材料），其困难度是较高的。
最后，软包装材料的质量判定周期长。由于聚合物锂离子电池所要求的阻水。阻氧性能超过了包装领域测试仪的最小精度，故很难定量地对所开发的软包装材料进行测试。现在一般采用的是实际包装电池的最后判定法。根据电池的检验特性及软包装材料对电池的影响程度及影响速率，一般判定软包装材料最终是否合格的实验需持续三个月以上。
5．软包装材料的发展趋势
软包装材料的发展趋势由聚合物锂离子电池的发展趋势及其应用领域的拓展而决定。聚合物锂离子的发展有两个趋势：一个趋势是电池向小型化、薄型化的方向发展；一种是向大容量和大功率充放电的方向发展。前者要求所需的软包装材料在阻隔性保证的前提下向更薄、更柔韧的方向发展；后者要求软包装材料的阻隔性向更高的方向发展并且与电解液的相互作用的程度向更小的方向发展。这两种发展趋势，对包装材料的选择、对包装复合技术的要求、特别是对包装材料结构设计的要求更高，由于软包装材料是电池成型的最后一道质量保证关口，对电池性能的影响又极大，因此，除了电池所需活性材料及制造工艺的进步之处，聚合物锂离子电池的发展和应用领域的拓展，将主要取决于软包装技术及其材料的发展。
6．我国软包装材料的发展潜力
目前我国的手机用户已突破5000万；1999年全国的笔记本电脑所用电池已全部改用锂离子电池；便携式摄像机、DVD影碟机等用电池的数量都非常巨大。若采用聚合物锂离子电池，则每年所需的软包装材料价值23亿元；电动车（电动汽车、电动摩托车、电动自行车）用电池更是电池的一个庞大的市场，聚合物锂离子电池是开发中的最热门的一种电池，若能开发成功，每年国内电池领域所消耗的软包装材料将达到3050亿元。现在，虽然国内只有厦门宝龙工业有限公司的聚合物锂离子电池实现了产业化规模生产，但已有近十家企业已投资立项或处于中试生产阶段，软包装技术是制约这些企业发展的重要技术问题。无论是为了推动聚合物锂电池的研究进程还是作为软包装材料的市场，该领域的软包装技术的研究都是十分必要的。国外有专门的聚合物锂电池用软包装技术的研究机构，而国内仅有极少数人从事此项研究。软包装材料的研究和应用应成为聚合物锂离子电池研究和生产的一个重要内容。
[关键词]软包装技术 包装设计 软包装材料 聚合物锂离子电池
前 言
电池所能输出的能量取决于活性物质的比容量和单体电池的电压。金属锂是所有金属中比容量最大的物质，其与C组成的电池对的输出电压高达3．6V以上，这些性质是其它金属所不能比拟的。因此，很早人们就开始关注锂电池的研究。由于金属锤非常活泼，直接用它制成电池，安全性极差，所以人们主要研究锂离子可充电电池。1990年，世界上第一条生产锂离子二次电池的生产线在日本建立。在短短的七八年内，锂离子电池由于重量轻、容量大、循环寿命长（大于1000决）、无记忆效应（可随用随充而不影响性能）等，很快在手机、笔记本电脑等用电池领域扩大并居于绝对的优势。1996年，聚合物锂离子电池在实验室开发成功，鉴于聚合物锂离子电池具有锂离子电池的几乎所有优点，在电池的重量、形状及安全性等方面具有更好的优势，因而也具有更广泛的应用领域，立即在世界电池界引起了轰动，被誉为二十一世纪的化学能源。世界各国，特别是日本和美国的财阀投巨资进行研究和产业化。厦门宝龙工业是中国首家从事聚合物锂离子电池生产的企业，目前的电池生产规模及所应用的软包装技术水平均与最发达国家相当。
1．聚合物锂离子电池
从电化学反应的角度看，聚合物锂离子电池与锂离子电池没有任何区别，甚至于聚合物锂离子电池所用的电极材料及电解液等也与锂离子电池相同。但是聚合物锂离子电池内部没有可移动的电解液，电池可以做成极薄的片状和各种形状，单片电池可做成0．6mm厚，这样，在要求电池轻量化、小量化或对形状有着较严格要求的领域，如手机、笔记本电脑、便携式摄像机、军用便携工具、DVD影碟机乃至于电动车等，聚合物电池有着更为广泛的应用优势和前景。
聚合物锂离子电池的研制成功，主要在于三大技术的解决，即制膜技术、层压技术和软包装技术。制膜技术解决了电池中不能含液态电解液的问题；层压技术解决了单片电池的成形和单片电池的组装问题；软包装技术则使电池片成为了电池并使电池具有了聚合物理离子电池的所有优点。
2．软包装材料对聚合物锂离子电池的影响
聚合物电池最后靠使用软包装材料来形成电池。严格说来，不能称之为 包装 ，因为在聚合物锂离子电池领域， 软包装材料 与内容物一起形成了电芯，电芯再通过装配而成电池，因此， 软包装材料 可以看成是电池的一个组成部分。但它用的材料是人们常见的包装材料，而且确实主要是起保护内容物的作用，因此，人们习惯上仍称之为 包装 。正因为软包装材料可以看成是电池的一个组成部分，所以它对电池的各项性能具有重要影响。当电池中水、氧的含量达到一定的程度，聚合物锂离子电池的容量将变小、电压降加大、充不进电、放不出电、循环寿命下降，并可能最终导致电池的失效。软包装材料通过对水、氧的阻隔来达到对电池性能的维护，因此，软包装材料的阻隔性对电池具有重要影响。另外，软包装材料中的某些有机物质可能溶于电解液中产生电化学反应而破坏电池的性能；电解液如果被软包装材料所溶胀，将改变电解液的混合比例，对电池性能不利。
3．聚合物理离子电池对软包装材料的一般要求
聚合物锂离子电池所用的软包装材料是铝塑复合膜，一般要求如下：
①具有极好的热封合性
聚合物锂离子电池对高温非常敏感，一般使用温度低于60℃，要求软包装材料在热封强度足够的情况下，热封温度越低越好。一般而言，热封温度应不高于150℃，采用更高的热封温度时，必须采用适当的边缘降温措施，以防止热封时的传导和辐射对电池起破坏作用。
②热封性材料不与电镀液起反应
软包装材料的内层材料既不能被电解液所溶解，又不能与电解液起溶胀作用。如果软包装材料被电解液所溶解，由于电池的工作电压高达3．6V以上，所溶解的成份将发生电化学反应而产生气体；如果软包装材料溶胀了电解放，将改变电解液的浓度而影响电池的性能。
③具有权高的阻水阻氧性能
水蒸气渗透系数要求达到10－4～10－6g/m2·d·1atm
氧气渗透系数要求达到10－1～10－3cm3／m2·d·1atm
④具有高的柔韧性和机械强度
聚合物锂离子电池的生产和装配，对软包装材料的柔韧性提出了较高的要求；而使用过程中的安全性保障对软包装材料的机械强度及热封强度提出了高的要求。
⑤具有良好的耐电解液侵泡的能力
软包装材料在包装电芯之后，长期贮存和周转之中，电解液不能发生渗漏现象。
4．软包装技术的难点
从上述聚合物理离子电池对软包装材料的一般要求中，即可发现制造所需的软包装材料具有较高的难度：
首先，软包装材料对阻隔性的要求，比普通的铝塑复合材料的阻隔性高10000倍，这么高的阻隔性采用普通的复合材料及复合技术难以满足要求。一般需要采用极厚的铝箔，并采用4到7层结构的复合材料，综合应用各种复合技术。如，在同一个材料的生产过程中，可能需要同时采用干复法、挤复法、连续挤复合法、三合一挤出法、热复法或流涎复合法、多层共挤法等。这样，对软包装材料的生产技术提出了较高的要求。
其次，复合内层热封材料的选择。聚合物锂离子电池所用的电解液是由多种酯组成有机电解液，其中的电解质在存在水分的情况下会水解成酸性极强的物质。根据相似相溶原则，酯类有机物与多数热封性材料具有可溶胀性，不与电解液起作用且必须有足够强的耐酸性能的低熔点热封性材料，比较难以寻找。
再者，包装材料的设计难度较高。在设计软包装材料的过程中，既要保证上述五种要求的满足，又要保证软包装材料的生产能够实现，还要兼顾软包装材料对聚合物锂离子电池的影响程度及聚合物锂离子电池的发展趋势（以不断提前开发所需软包装材料），其困难度是较高的。
最后，软包装材料的质量判定周期长。由于聚合物锂离子电池所要求的阻水。阻氧性能超过了包装领域测试仪的最小精度，故很难定量地对所开发的软包装材料进行测试。现在一般采用的是实际包装电池的最后判定法。根据电池的检验特性及软包装材料对电池的影响程度及影响速率，一般判定软包装材料最终是否合格的实验需持续三个月以上。
5．软包装材料的发展趋势
软包装材料的发展趋势由聚合物锂离子电池的发展趋势及其应用领域的拓展而决定。聚合物锂离子的发展有两个趋势：一个趋势是电池向小型化、薄型化的方向发展；一种是向大容量和大功率充放电的方向发展。前者要求所需的软包装材料在阻隔性保证的前提下向更薄、更柔韧的方向发展；后者要求软包装材料的阻隔性向更高的方向发展并且与电解液的相互作用的程度向更小的方向发展。这两种发展趋势，对包装材料的选择、对包装复合技术的要求、特别是对包装材料结构设计的要求更高，由于软包装材料是电池成型的最后一道质量保证关口，对电池性能的影响又极大，因此，除了电池所需活性材料及制造工艺的进步之处，聚合物锂离子电池的发展和应用领域的拓展，将主要取决于软包装技术及其材料的发展。
6．我国软包装材料的发展潜力
目前我国的手机用户已突破5000万；1999年全国的笔记本电脑所用电池已全部改用锂离子电池；便携式摄像机、DVD影碟机等用电池的数量都非常巨大。若采用聚合物锂离子电池，则每年所需的软包装材料价值23亿元；电动车（电动汽车、电动摩托车、电动自行车）用电池更是电池的一个庞大的市场，聚合物锂离子电池是开发中的最热门的一种电池，若能开发成功，每年国内电池领域所消耗的软包装材料将达到3050亿元。现在，虽然国内只有厦门宝龙工业有限公司的聚合物锂离子电池实现了产业化规模生产，但已有近十家企业已投资立项或处于中试生产阶段，软包装技术是制约这些企业发展的重要技术问题。无论是为了推动聚合物锂电池的研究进程还是作为软包装材料的市场，该领域的软包装技术的研究都是十分必要的。国外有专门的聚合物锂电池用软包装技术的研究机构，而国内仅有极少数人从事此项研究。软包装材料的研究和应用应成为聚合物锂离子电池研究和生产的一个重要内容。
- 上一篇：鉴别绿色印刷中原辅材料的方法 [2014/12/15]
- 下一篇：Google推出知识图谱 搜索模式迎来大变革 [2012/5/23]