SONY锂离子电池Pack设计技术4
锂离子电池生产主工艺设计
目录1．设计的目的与任务 (1)1.1课程设计背景 (1)1.2课程设计目的与任务 (1)2．设计的详细内容 (2)2.1原材料及设备的选取 (3)2.2电池的工作原理 (3)2.3电池的制备工艺设计 (4)2.3.1制片车间的工艺设计 (4)2.3.2装配车间的工艺设计 (8)2.3.3化成车间工艺设计 (9)2.3.4包装车间工艺设计 (11)2.4厂房设计 (13)3．经济效益 (13)4．对本设计的评述 (14)参考文献 (16)1．设计的目的与任务1.1课程设计背景自从1990年SONY采用可以嵌锂的钴酸锂做正极材料以来,锂离子电池满足了非核能能源开发的需要,同时具有工作电压高、比能量大、自放电小、循环寿命长、重量轻、无记忆效应、环境污染少等特点,现成为世界各国电源材料研究开发的重点[1~3]。
锂离子电池已广泛应用于移动电话、便携式计算机、摄像机、照相机等的电源,并在电动汽车技术、大型发电厂的储能电池、UPS电源、医疗仪器电源以及宇宙空间等领域具有重要作用[4~5]。
正极材料作为决定锂离子电池性能的重要因素之一,研究和开发更高性能的正极材料是目前提高和发展锂电池的有效途径和关键所在。
目前,已商品化的锂电池正极材料有钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂等,而层状钴酸锂正极材料凭借其电压高、放电平稳、生产工艺简单等优点占据着市场的主要地位,也是目前唯一大量用于生产锂离子电池的正极材料[6~8]。
18650电池是指外壳使用65mm高，直径为18mm的圆柱形钢壳为外壳的锂离子电池。
自从上个世纪90年代索尼推出之后，这种型号的电池一直在生产，经久不衰。
经过近20年的发展，目前制备工艺已经非常成熟，性能有了极大的提升，体积能量密度已经提高了将近4倍，而且成本在所有锂离子电池中也是最低，目前早已走出了原来的笔记本电脑的使用领域，作为首选电池应用于动力及储能领域。
1.2课程设计目的与任务如前文所述，在目前商业化的锂离子电池中，很多厂家都选用层状结构的LiCoO作为正极材料。
锂电池PACK结构设计SOP
7.1《样品试做报告》
MCR-RDD-xxx
7.2《试产与总结报告》
Q-MCR-RDD-016
制样。
6.4.2CPD/ME 在集齐所需物料样品后按照自己的结构设计制作样品，在确认自己的首件样品 OK 后剩余样品可
请样品室人员协助完成。
6.4.3 CPD/ME 完成样品试做报告提供给 CPD/PM，同时上传 PDM 系统
6.5 小批量试产：
6.5.1 CPD/PM 依照客户的需求或依照机种的实际情况申请小批量试产，CPD/ME 负责相关结构物料的请购及
文件类别 标准文件
Tech 迈 科 新 能 源 有 限 公
McNair NewPower Co..,Ltd
司 文件名称: 锂电池 PACK 结构设计 SOP
5、作业流程
5.1 新机种开发流程:
文件编号 版别 页码
MCA-xxx-xxx A/0
2 of 3
作业流程图
记 录/表 单
权责部门/负责人 流程步骤
4、定义： 4.1 成品外形图：定义产品外形尺寸、产品 PACK 结构、电池外延连接方式的工程平面图 4.2 工程 3D 图档：工程师对所构思的产品结构进行理论表述的三维空间图，同时，也是提供给厂商做开模参考用 的标准工程文件 4.3 BOM 表：包含一个机种所有材料的物料清单（包含物料名称、物料编码、规格、用量、损耗） 4.4 ECN 文件：为修改 BOM、装箱资料及产品规格书等标准文件而产生的工程变更通知书 4.5 装箱资料：定义产品装箱数量及装箱方式的工程文件，同时提供给客服部门做为申请报关资料的原始数据 4.6 PCB 外形图：定义 PCB 的外形尺寸、正负极接入位置（正负极焊盘之间的距离参考电芯的极耳间距而定）、输 出端的位置及工程要求备注说明 4.7 零件外形图：定义产品零部件的外形尺寸、材质要求、表面处理要求、外观要求及工程要求备注说明，主要 作用是提供给厂商参考以便加工出工程师所需要的结构产品，同时，也是作为 IQC 进行来料检 验的主要参考标准
锂电池PACK结构设计SOP
McNair NewPower Co..,Ltd
Tech 迈科新能源有限公司
文件名称: 锂电池 PACK 结构设计 SOP
文件编号 版别 页码
MCA-xxx-xxx A/0
1 of 3
1、目的： 1.1 明确工程师在新机种开发中的工作内容； 1.2 使工程资料系统化，增强工程文件的可追溯性
CPD/PM
1
CPD/ME
2
CPD/PM
3
CPD/ME
4
工程部/PE2
CPD/PM
5
转量产
1. 发行工程图面 2. 完成新物料的承认 3. 发行装箱资料
CPD、
6
品保部、采购部
6、流程说明:
6.1 接收新机种开案信息
6.1.1 CPD/ME 在 CPD/PM 主持的新机种说明会上须明确了解客人的具体要求，并需保留此类信息作为 ME 相关
制样。
6.4.2CPD/ME 在集齐所需物料样品后按照自己的结构设计制作样品，在确认自己的首件样品 OK 后剩余样品可
请样品室人员协助完成。
6.4.3 CPD/ME 完成样品试做报告提供给 CPD/PM，同时上传 PDM 系统
6.5 小批量试产：
6.5.1 CPD/PM 依照客户的需求或依照机种的实际情况申请小批量试产，CPD/ME 负责相关结构物料的请购及
7.1《样品试做报告》
MCR-RDD-xxx
7.2《试产与总结报告》
Q-MCR-RDD-016
4、定义： 4.1 成品外形图：定义产品外形尺寸、产品 PACK 结构、电池外延连接方式的工程平面图 4.2 工程 3D 图档：工程师对所构思的产品结构进行理论表述的三维空间图，同时，也是提供给厂商做开模参考用 的标准工程文件 4.3 BOM 表：包含一个机种所有材料的物料清单（包含物料名称、物料编码、规格、用量、损耗） 4.4 ECN 文件：为修改 BOM、装箱资料及产品规格书等标准文件而产生的工程变更通知书 4.5 装箱资料：定义产品装箱数量及装箱方式的工程文件，同时提供给客服部门做为申请报关资料的原始数据 4.6 PCB 外形图：定义 PCB 的外形尺寸、正负极接入位置（正负极焊盘之间的距离参考电芯的极耳间距而定）、输 出端的位置及工程要求备注说明 4.7 零件外形图：定义产品零部件的外形尺寸、材质要求、表面处理要求、外观要求及工程要求备注说明，主要 作用是提供给厂商参考以便加工出工程师所需要的结构产品，同时，也是作为 IQC 进行来料检 验的主要参考标准
锂离子电池PACK工艺
三、电池pack工艺
连接工艺
镍片点焊工艺
电芯、保护板通过镍片 金属点焊连接，然后装 配胶壳 使用设备、工具:金属点焊机
缺点：对产品设计及工艺要 求较高
优点：产品稳定、可靠，一 致性好
金属点焊
三、电池pack工艺
连接工艺
激光点焊工艺
电芯、保护板通过镍片 金属点焊连接，然后装 配胶壳 使用设备、工具:激光焊接机
三、电池pack工艺
连接工艺 导线锡焊工艺
电芯、保护板通过导线 锡焊连接，然后装配胶 壳
使用设备、工具:锡焊台 缺点：以产生锡珠、脱 焊，有安全隐患
三、电池pack工艺
连接工艺
镍片锡焊工艺
电芯、保护板通过镍片 锡焊连接，然后装配胶 壳
使用设备、工具:锡焊台 缺点：以产生锡珠、脱 焊，有安全隐患
锡焊
锂离子电池PACK工艺 ss
电池PACK生产知识讲座
前言 一、电池与电芯 二、电池的组成 三、电池pack工艺 四、电池pack生产流程
一、电池与电芯
前言： 在pack行业，人们都把没有组装成可以直接使用 的电池叫做电芯，而把连接上PCM板，有充放控 制等功能的成品电池叫做电池。 在pack组装中电芯是电池的重要组成部分
讲讲电芯
Pack中最常用几种电芯：
聚合物 铝壳锂离子 钢壳锂离子 圆柱型电芯（锂离子、 镍氢）
电芯型号、规格
命名方法：按电池外观尺寸宽、厚、长
如：方形锂离子383450型号，就是指电芯实体部分宽
34mm厚3.8mm长50mm
3.8mm
50mm
34mm
电芯型号、规格
如：圆柱型18650型号，就是指电芯直径18mm长65mm
二、电3、池保护的电路组板成上线前检测项目：
锂电PACK工艺设计规范
5.锂电PACK各主要工序标准
5. 锡焊标准：
焊锡时间≤3S 焊接温度：320~360℃
保护板锡焊引线、插头:
按工艺要求的焊接方向将规格符合要求的引线、插头焊在保护板相应焊盘上。 要求与自检：锡点完全包住引线锡头；无虚焊、脱焊、连锡、锡渣、锡尖、元件脱落、引线烫伤、 烫破、插头端子脱落等。
电池极性引出镍片锡焊引线、插头、保护板:
装后的成品理论尺寸与规格书的成品尺寸是否有冲突，原则上理论尺寸应小 于标准尺寸。 如理论值大于等于标准值，则从辅料尺寸或工艺结构上做调
整，也可向客户争取最大标准值。
3.工艺设计从哪几个方面入手
3.1产品本身的工艺结构：
a. 保证安全:有安全隐患的地方一定要做绝缘防护。 b.工艺结构最简化：装配布线走最短的路线；物料规格一次到位，尽量不要缝缝补
试产过程跟进：
a.是对员工产前培训的一个考核，也是对初步验证工艺的进一步验证，确定是否可批量作业， 此工艺是不是此前的最佳方案，暴露出了什么问题？哪些是我们研发过程就已预知的？哪些是 我们没想到的？现场是否能马上变更或临时改善？会不会出现一些重大问题需终止试产等。
试产总结:
汇总试产中出现的问题点及改善措施和责任人及完成时间，并最终判定结果：OK或NG。 对于 需改善的问题要及时跟进，向责任人获取变更后的资料或改善后的零部件，以便及时修 订可批 量生产的工艺。
包美纹纸或高温胶纸---聚合物电芯
5.锂电PACK各主要工序标准
3. 电芯电压、内阻测试：
测试仪器：
a. 万用表、多功能测试架、电池内阻测试仪、通用电池测试架、扫码机
测试连接法：
a.电芯正、负极端分别与测试架的正、负极顶针接触测试。（测试架上下顶针分别为正、负 极，钢壳电芯盖帽是正极、电芯外壳是负极，铝壳电芯铆钉是负极，电芯外壳是正极）。
电池Pack设计规范
修订履历修订日期版次修订页次修订内容2009-5-20 A0 / 首次发行分发对象及份数（制订者在“( )”填写分发份数）01总经理( ) 02副总经理( ) 03管理者代表( ) 04生产部( 1 ) 05品管部( ) 06工艺设备部( ) 07设备组( ) 08工艺组( ) 09计划组( ) 10销售管理部( )11采购部( ) 12电子开发部( ) 13人力资源部( ) 14安全办( ) 15（暂空）16仓库( 1 ) 17财务部( ) 18制片QC ( ) 19装配QC ( ) 20检测QC ( 1 ) 21包装QC ( 1 ) 22 IQC ( ) 23 OQC ( ) 24 QA ( ) 25制片车间( ) 26装配车间( ) 27检测车间( 1 ) 28包装车间( 1 )会签（制订者在需会签的部门前的“[ ]”中画“X”）[ ]电子开发部______________ [ ]工艺设备部______________ [ ]人力资源部______________ [ X ]生产部___________________[ X ]财务部___________________[ ]工业安全委员会____________[ ]品管部_______________[ ]采购部_______________[ ] _______________制订/日期审核/日期批准/日期1、目的：为了规范电池成品Pack的设计，加强电池Pack的安全。
2、范围本标准适用于本公司所有电池成品包装组合。
3、电池Pack安全的重要性。
电池除了本性电芯的安全需要特别关注外，电池成品Pack的安全设计也应该同样重要。
电池在组合后，用户在充电和放电的使用过程中，有效地防止过充，过放，过流等电气损坏；挤压，跌落等其它机械损坏，主要依赖我们在Pack设计时的全面考虑。
4、主要包装材料的选择，4.1 绝缘胶纸胶带4.1.1. 美纹胶纸（皱纹胶纸）耐温高达350℃，粘性好，柔软，耐酸碱，不残胶，易剪切。
圆柱电芯pack工艺
圆柱电芯Pack 工艺是指将多个圆柱形电池单体组装成电池组的过程。
这种工艺通常用于锂离子电池组的制造中，圆柱电芯是其中常见的电池单体类型之一。
下面是圆柱电芯Pack 工艺的一般步骤：1. 准备电芯：选择相应的圆柱电芯，根据需要和规格进行筛选，保证电芯符合要求。
常见的圆柱电芯尺寸有18650、21700、26650等。
2. 连接器安装：在电芯的正负极上安装连接器，常见的连接器可以是针形脚、焊接脚或者压接脚等。
连接器的安装需要确保良好的电气接触和稳定性。
3. 电池组设计：根据需要确定电池组的电池单体数量和排列方式。
电池单体可以按照串联和并联的方式连接，以达到所需的电压和容量要求。
同时，需要考虑电池组的外壳设计和散热等因素。
4. 电池组组装：按照设计要求，将电芯连接为电池组。
通常使用绝缘胶带或者塑料支架来固定电芯，并保持电芯之间的间隔和连接。
5. 焊接：根据需要，对电池组进行焊接，包括电芯之间的串联和并联焊接，连接器与电芯的焊接等。
焊接需要保证良好的电气连接和稳定性。
6. 保护电路安装：根据需要，在电池组中安装保护电路，用于监测和保护电池组的电压、电流和温度。
保护电路可以提高电池组的安全性和稳定性。
7. 外壳封装：将电池组封装在保护外壳中，通常使用塑料壳体或金属壳体来保护电池组，同时提供机械支撑和绝缘保护。
8. 电池组测试：对组装好的电池组进行测试和质量控制，包括电池性能测试、电路功能检测和外观质量检查等。
圆柱电芯Pack 工艺需要严格的生产和质量控制措施，以确保电池组的安全性、稳定性和性能符合要求。
在实际生产中，还需要考虑一些其他因素，比如散热设计、封装方式和电池组的后续应用等。
锂电池PACK工艺知识
2、电池种类
电池
化学电池
一次电池 固空 体气 电电
干池池 电、、 池碱热
性电 电池 池、 、二次电池 Nhomakorabea燃料电池
池 、 锂 离 子 二 次 电 池
碱 性 储 电 池 、 铅 酸 储 电
燃电磷 料解酸 电质性 燃池燃燃 料、料料 电熔电电 池融池池 碳、、 酸酒固 盐精体
物理电池
太阳能电池 热气电力电池 原子力电池
2、名词释义
11. 充放电倍率(C-rate)：电池在规定的时间内放出其额定容量时所需要的电流值，它在数据值上等于电 池额定容量的倍数，通常以字母C表示。一般充放电电流的大小常用充放电倍率来表示，即:充放电倍率= 充放电电流/额定容量。 例如:额定容量为100mAh的电池用20mA放电时，其放电倍率为0.2C。电池放电C率，1C,2C,0.2C是电池 放电速率:表示放电快慢的一种量度。所用的容量1小时放电完毕，称为1C放电;5小时放电完毕，则称为 1/5=0.2C放电。一般可以通过不同的放电电流来检测电池的容量。对于24AH电池来说，2C放电电流为 48A,0.5C放电电流为12A。
手动点焊机
双面点焊机
2、PACK工艺路线-镍片点焊
单面全自动点焊机：电芯/支架/电池镍片装入治 具——放置治具到左平台感应位置——设备自动点 焊完成送出到取料位置——人工翻转治具——放置 治具到右平台感应位置——设备自动点焊完成送出 到取料位置——从治具中取出电池组——进行下一 个生产循环（左平台工作时有平台可以放入产品， 等待做平台焊接完成，会自动转入右平台焊接。在 焊接右平台时，左平台可以更换产品，等待右平台 焊接完成，会自动转入左平台焊接，依次循环）
2、名词释义
5. 终止电压(Cut-off discharge voltage）：指电池放电时，电压下降到电池不宜再继续放电的最低工作电压 值。根据不同的电池类型及不同的放电条件，对电池的容量和寿命的要求也不同，因此规定的电池放电的终止 电压也不相同。 6. 放电深度(Depth of discharge DOD) ：在电池使用过程中，电池放出的容量占其额定容量的百分比，称为 放电深度。放电深度的高低和二次电池的充电寿命有很深的关系，当二次电池的放电深度越深，其充电寿命就越 短，因此在使用时应尽量避免深度放电。 7. 能量密度(Energy density) ：电池的平均单位体积或质量所释放出的电能。一般在相同体积下，锂离子电池 的能量密度是镍镉电池的2.5倍，是镍氢电池的1.8倍，因此在电池容量相等的情况下，锂离子电池就会比镍镉、 镍氢电池的体积更小，重量更轻。 8. 自放电(Self discharge)：电池不管在有无被使用的状态下，由于各种原因，都会引起其电量损失的现象。电 池完全充电后，放置一个月。然后用1C放电至3.0V，其容量记为C2；电池初始容量记为C0；1-C2/C0即为该电 池之月自放电率。
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拉伸强度确认频度
频 度 ： 1天 5次以上 抽取数 ： 抽取３个以上,确认正极・负极 各各的强度。 Cell组的抽取各处由于实行推移管理,所以按照各机种来统一。
判定基准（筒Cell、t０．１５Tab的情况）
１） 熔接强度 ４点熔接： ５０N以上 ２点熔接： ３０N以上
２） 剥下时的Tab开孔大小与 熔接痕同等面积
３） Tab开孔数 ４点熔接： 有３点以上的Tab开孔 （ＰＴ Pack系：有４点的Tab开孔） ２点熔接：有２点的Tab开孔
９０度剥离试验法 Cell
电池技术讲座 锂离子电池Pack设计技术
机构编
引張強度試験器
捏具 剥离方向
Tab 5
１２．抵抗熔接（４）
熔接痕（nugget）的评价
在最佳熔接条件的设定中,确认熔化量的情况按照以下来实施。 Tab或是Cell电极部是新规材质的情况下按照以下,根据熔接来对熔化量评价。
电池技术讲座 锂离子电池Pack设计技术
机构编
直接熔接
间接熔接
电流
电流
熔接电极棒
加压力
加压力
系列熔接
无效分流
被熔接物（Tab）
被熔接物（Cell电极）
由于有电流流过, 此部分的接触抵抗会发热, 材料熔融然后结合。
带Projection
Tab slit实例
3
１２. 抵抗熔接（２）ＰＴ源自ack系的熔接电池技术讲座 锂离子电池Pack设计技术
机构编
熔接痕（nugget）的确认方法
在决定最佳熔接条件时,取最佳 熔接条件和最大条件时的熔接 部的断面,调查nugget的熔化深 度
熔接痕的判定
有0.1mm～0.15mm的熔化,而且 到Cell缸底为止有0.1mm以上的 板厚的熔化没有达到缸底
最佳熔接条件下的nugget熔化深度①
１１. 超声波熔着（２）
接缝设计
电池技术讲座 锂离子电池Pack设计技术
机构编
图1表现的是没有设计超声波熔着用的接缝的平面上,给予它超声波振动时的状态。在这样的平面之间进行熔着的话, 树脂熔出的位置会不均一,也无法得到均一并且安定的熔着强度。同时,表中也可以看出,熔着部的发热温度上升迟钝 很花时间,不仅仅是效率差,还会导致树脂的劣化。 图2表现的是设计了超声波用的接缝的平面上给与超声波振动时的状态。树脂的熔出位置时常是三角形的顶点,是一 定化的,能做到均一的熔接状态,另外,图中也能知道这样是可以获得安定的熔着强度的。熔着部急剧发热,在短时间内 可以熔着,所以很难引起树脂的劣化。 把像这样的超声波熔着用的三角形的加强筋叫做「能量控制器」（ED）,超声波振动集中在这个部分进行伸缩运动,使树 脂到达熔融温度为止在极其短的时间内发热, 使比较效果比较好的熔着变为可能。
电池技术讲座 锂离子电池Pack设计技术
机构编
Cu合金熔接 （冲击试验后的状态）
②
①
左右熔接痕不均等 Peltier効果
均等的熔化 转极方式
Peltier効果：异种金属间流过直流电流的话,＋极和－极会发生温度差的现象 4
１２．抵抗熔接（３）
熔接拉伸强度的评价
使用强度拉伸试验机进行熔接强度的确认。 试验做到Tab完全剥下为止,记录拉伸强度的「最大值」。
Power工具用电池Pack与情报机器、ＡＶ机器的Pack相比,对待比较粗暴,而且 使用时会涉及特殊的振动、冲击。所以对Cell－Tab的熔接强度要特别注意。 以前,ＰＴ系电池Pack的Tab,采用0.3ｍｍ的Ｖ－Ｎｉ Tab,但是近年开始采用0.15 ｍｍ的铜合金Tab。这样的话, 板压薄的话材料的刚性就下降,冲击时对熔接点 的应力会有由于材料自身的变形而降低的效果。另外,Ｃｕ合金与Ｖ－Ｎｉ相比导 电率高,板压即使减半也能流过同等的大电流。
把Ｃｕ合金在Cell上进行系列熔接的情况,以前都是采用使用变压器熔接电源的 方式,有熔接强度波动大、不安定的缺点。另外,由于Peltier効果,会有熔接点的 熔法左右不均等的缺点。为了改善这些,在ＰＴ系的Ｃｕ合金熔接中,采用短时间 可能通过大电流的晶体管熔接电源,而且为了减小Peltier効果,也引用了转极方 式,实现了熔接强度的安定化。
抵抗熔接的通电方式有直接、间接、系列通电的方式。电 池的熔接主要采用连续的点熔接。
另外,被熔接物侧由于设置了集中电流的突起物 （Projection）这样的方式叫做Projection熔接。 Projection熔接,电极的顶端即使是平坦的,也能通过集 中电流发热。
系列熔接
如图中所示那样配置电极的熔接叫系列熔接。该方式通 一次电可以熔接2点,另外, 与间接熔接同样,电极可以从单 侧接近, 有这样的好处。 系列熔接中, 电极和金属导线接触面2个地方、金属导线 和盖子接触面的2个地方是主要的放热处。该熔接中对直 接熔接没有帮助的无效分流和电极间距离的检讨是重要 的。 为压制无效分流, 在tab电极间设Slit是较有效的。
最佳熔接条件下的nugget熔化深度②
Tab Cell缸底
0.１ｍｍ程度熔化 0.3ｍｍ
图１
图２
能量控制器
1
１１. 超声波熔着（３）
电池Pack接缝设计
电池Pack的接合部厚度在１ｍｍ以下的薄肉的情况较多。像这样的薄肉的熔着有容 易出现毛刺,难以定位这样的缺点,所以用阶梯接缝。这个形状在忌讳毛刺露出的那 侧作出壁,在预防露出的同时也作为定位来活用。 尺寸的话,段差（阶梯）高度W/2、宽度W/2～W/3程度为一般情况。阶梯接缝的情况, 熔着部的宽度用 “d”尺寸表示,所以ED的尺寸由 “d”的大小来设定。 “b”比“a”尺寸大0.2～0.3mm程度,熔着后的“f”尺寸间隙有0.05～0.1mm程度,有预防 向外侧露出毛刺的机能。 尺寸“c”是嵌合部的间隙, 越是小的它的熔着状态就安定,成形品的完成尺寸出现波 动嵌合变硬的话,阶梯部的壁之间会相磨,所以需要有多余的Power。一般情况该间隙 0.05mm程度是适当的。
电池技术讲座 锂离子电池Pack设计技术
机构编
实际的电池Pack 接缝设计例
2
１２. 抵抗熔接（１）
何为抵抗熔接
把要熔接的复数个的金属重叠,由电极加上一个指定的 加压力的话同时,熔接电流会在极短时间内流到被熔接 材料里, 由于被熔接金属间的接触抵抗的发热产生的热 把被熔接材料熔融结合的方法
抵抗熔接的种类