锂离子电池轻薄铝塑复合膜的热封条件

郑育英，黄文涛，付成波，黄天侯

(1.广东工业大学轻工化工学院，广东 广州 510006;2.广州市天球实业有限公司，广东 广州 510400)

软包装电池可制作成各种形状、尺寸，具有大的灵活性，同时，可以满足更高的能量密度要求，因此聚合物轻薄铝塑复合膜包装的锂离子电池市场较为广阔［1－3］。近年来，对锂离子电池能量密度的要求越来越高，对包装铝箔的厚度要求也越来越薄，有的厂家已研制出厚度为86 μm、81 μm，甚至更薄的轻薄铝塑复合膜，对热封条件的要求也更苟刻。

本文作者通过改变封头温度和热封时间，分析86 μm 厚的轻薄铝塑复合膜的理想封装条件，以期提高封装效果。

1 实验

1.1 实验材料

轻薄铝塑复合膜(日本产，86 μm 厚)共分3 层:最内层是用来熔合和提供密封的聚丙烯(PP)层，30 μm 厚，不会被电解液溶解;中间为铝层，35 μm 厚，阻止水分渗透，并有一定的强度;最外层为尼龙层，15 μm 厚，阻止空气渗透，并保护铝层不被划伤。PP 层与铝层之间、铝层与尼龙层之间涂胶的面密度分别为2～3 g/m2和4～5 g/m2，均为3 μm 厚。

1.2 实验方法

用STA449C 热重分析仪(德国)测定内层PP 的融化温度，分析PP 的热稳定性，升温速度为10℃/min。

将两块尺寸为100 mm ×100 mm 的复合膜PP 层对PP层放置，将Hioki 8430-21 多路测温仪(日本)的探头夹在中间。用200 mm 长、4 mm 宽的铜制封头，以1.0 MPa 的压力、在高于PP 熔点的不同温度下将两层PP 熔合一定时间。为获得经电解液浸泡后的封装温度(PP 的融化特性与电解液浸泡情况有关)，将复合膜浸泡在电解液1 mol/L LiPF6/PC+DEC(体积比1∶1，日本产，电池级)中，加热至85℃并保温4 h，自然冷却后取出，用无尘纸擦去尼龙表面的电解液。用同样的方法，在190℃下将两层PP 熔合3 s，得到PP 受电解液影响后的封装升温曲线。

用宽度为6 mm 封头(黄铜)在不同的封装温度下将PP封好后，剪去封印附近的溢胶区，使封印的宽度为4 mm，同时制成15 mm 长样品，在AI-7000S 拉力计(广东产)上测试PP 间的剥离力，检测封装可靠性。用VHX-600 显微镜(日本)观察复合膜截面处的溢胶情况。

2 结果与讨论

2.1 PP 的DSC 分析

图1 为PP 的DSC 曲线。

图1 PP 的DSC 曲线 Fig.1 DSC curve of PP

从图1 可知，在160℃时，PP 有明显的吸热峰，熔化温度在160℃左右。为了使PP 更好地熔合，热封时施加在PP 上的温度要高于160℃;同时，要考虑最外层的尼龙隔热与中间层的铝导热。综合考虑，热封时的最低温度为170℃。

2.2 热封温度对PP 升温的影响

图2 为PP 的受热温升曲线。

图2 PP 的受热温升曲线Fig.2 Temperature rise curve of PP after heated

从图2 可知，封头温度为170℃时，测得的PP 实际温度由室温上升到160℃(PP 熔化温度)大概需要0.8 s，在160～165℃间维持1.2 s;封头温度为180℃时，PP 受热实际温度由室温上升到160℃大概需要0.4 s，在此温度上约维持1.6 s，最高温度为173℃，热量由封头传递到PP，温度降低了约7℃。由此可知:热封时，PP 两侧的加热温度必须高于170℃，同时，加热时间不能少于1 s。

电解液浸泡后的PP 受热后，温度快速上升到为160℃，历时约为1.5 s;达到160℃后，温度还会缓慢升高至180℃，即PP 的最高温度与设备设定的温度有10℃的差距。达到PP 熔化点的时间约为电解液浸泡前的2 倍，原因是复合膜之间存在的电解液受热蒸发，吸收了一定的热量。为了保证热封效果，热封电解液浸泡后的复合膜时，时间要适当延长。

2.3 热封温度对PP 拉力的影响

PP 在不同温度下的拉力见图3。

图3 PP 在不同温度下的拉力Fig.3 Tension of PP at different temperatures

从图3 可知，在热封温度低于PP 熔点的温度(150℃和160℃)时，PP 未完全熔化，因此拉力很小;在热封温度为170℃时，拉力达到最大值;之后，随着热封温度的上升，拉力下降。这是因为:温度过高，PP 完全熔化，在压力作用下会向外溢出，PP 结晶时，发生晶格变化，产生了微小的裂纹。

2.4 温度对热封封印截面的影响

不同热封温度的轻薄铝塑复合膜封印两侧的溢胶情况见图4。

图4 热封封印截面图Fig.4 The cross section photographs of heat sealing seal

从图4 可知，在热封温度较高时，压力在复合膜两侧保持3 s，使熔融的PP 向侧面流动，造成铝塑膜附近堆积了较多的PP;同时，溢胶附近的PP 内侧呈细丝状。这是因为较高的温度有较大的热辐射，使附近的PP 软化，在外力作用下呈细丝状。这些细丝产生的微小裂纹，降低了电解液的隔绝作用，造成铝层与电解液接触，使电池发生腐蚀而漏液。

3 结论

对86 μm 厚的轻薄铝塑复合膜进行分析，发现封装温度为170℃较理想。随着封装温度的升高，PP 溢胶加重，会影响热封的效果。

［1］HU Shao-jie(胡绍杰)，XU Bao-bo(徐保伯).锂离子电池工业的发展与展望［J］.Battery Bimonthly(电池)，2000，30(4):171－174.

［2］LIU Sheng-qian(刘圣千).液态软包装锂离子电池工艺及电化学性能研究［D］.Tianjin(天津):Tianjin University(天津大学)，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.