软包装锂离子电池铝塑复合膜的热封工艺

范洋;郭战胜;徐艺伟;冯捷敏

【摘 要】铝塑复合膜是软包装锂离子电池常用的封装材料,其热封强度会直接影响电池的安全性能.本文研究了在不同热封条件(热封温度和热封时间)下,铝塑膜的热封强度,通过单轴拉伸实验,测试了其最大拉伸强度及表观弹性模量,探究了不同热封温度和热封时间对热封强度的影响.结果表明:铝塑膜的热封强度会随热封温度的上升而提高,最终趋于一个稳定的值;而热封时间在相对较低的热封温度下对试样的热封强度影响不大,而在相对较高的热封温度下,试样热封强度会随热封时间的上升而提高,最终也趋于一个定值.同时,热封温度和热封时间对铝塑膜的表观弹性模量也具有类似的影响.实验还发现,铝塑膜的拉伸破坏有界面破坏、内聚破坏、剥离破坏以及断根破坏4种模式,其中内聚破坏模式的出现概率最大,随着热封温度的提高,热封时间的增加,断根破坏模式出现的概率将提高.

【期刊名称】《储能科学与技术》

【年(卷),期】2016(005)001

【总页数】6页(P85-90)

【关键词】锂离子电池;封装材料;铝塑复合膜;热封强度

【作 者】范洋;郭战胜;徐艺伟;冯捷敏

【作者单位】上海市应用数学和力学研究所,上海200072;上海市应用数学和力学研究所,上海200072;上海市力学在能源工程中的应用重点实验室,上海200072;上海大学理学院力学系,上海200444;上海市力学在能源工程中的应用重点实验室,上海200072;上海大学理学院力学系,上海200444

【正文语种】中 文

【中图分类】TM911

软包装锂离子电池由于在形状和尺寸方面的灵活性，往往可以满足更高的能量密度要求，以适应电池“更薄”、“更小”的发展趋势[1]。但是，这也对锂离子电池包装过程中的工艺、封装材料的性能以及封装后的强度提出了更高的要求。

铝塑膜是软包装锂离子电池常用的封装材料，是电解液和电芯的载体。电池使用过程中可能会发生胀气，所以铝塑膜需要承担防爆、防漏等多重任务，必须具备足够的热封强度，防止事故的发生。热封温度、热封时间和热封压力是影响软包装 锂离子电池热封强度的3个最主要的热封工艺参 数[2]。

关于包装用复合膜材料热封强度的研究工作有很多，秦楠等[3-4]DSC测试铝塑膜中CPP薄膜的熔融极限，研究温度、压力、材料厚度与热封时间的关系。张旭良等[5]研究塑料包装材料PE薄膜封口强度的热封要素，通过测量不同温度、不同速率下包装材料的封口强度以及收缩率，确定最佳的工艺参数组合。Planes等[6]通过T型剥离试验以及拉伸破坏试验，对比研究了单层和多层聚合物膜热封质量的优劣，发现多层薄膜具有较大优

势。王东升等[7]研究药物包装用PET/PE复合膜热封质量的影响因素，发现热封方向对热封性能影响不大，其最佳的热封温度在138～160 ℃。Mihindukulasuriya等[8]研究了3种热封界面（干净、水污和油污）下热封强度的变化，发现180 ℃和0.3 s、165 ℃和1 s分别为油污界面、水污界面下最佳的热封方案。高雪等[9]为了测量食品包装袋封口的热封合强度，确定热封合电压和热封合时间为影响强度的主要参数，结果表明食品包装袋拉伸时出现撕裂、封口处拉断、封口外侧拉断3种形式的破坏。王敏[10]对聚乙烯薄膜制作工序中的电晕处理进行研究，发现降低电晕处理强度，可缓解电晕处理对薄膜热封强度的影响。

综上所述，关于复合膜材料热封强度影响因素的研究主要集中在热封工艺参数[1,4-5,7,9,11]以及材料本身的制作和性质[6,8,10,12-14]上。在锂离子电池新兴的研究领域内，针对其包装用铝塑膜的性能研究不多，而除热封强度以外的其它性能（如弹性模量）研究得更少。本文选用商业锂离子软包电池的铝塑膜，研究不同热封温度和热封时间对铝塑膜热封强度和表观弹性模量的影响，观察并总结了不同热封工艺下铝塑膜的各种拉伸破坏模式，给出该铝塑膜的最佳热封工艺参数。

本文选用商用锂离子软包装电池的铝塑膜，其结构为PA/AL/PP的复合膜。最内层为PP（聚丙烯）层，厚度为40 μm，热黏性强，用于在上下封头高温加压时发生熔合；中间层为AL（铝箔）层，厚度为40 μm，为热封材料的载体，阻止水分渗透；最外层为PA（尼龙）层，厚度为25 μm，具有一定抗刺穿性能，同时起到装饰作用。

将两条相同长度的铝塑膜通过热封机热封在一起，热封后的试样尺寸长为80 mm，宽为15 mm，如图1所示。

实验使用PX-CF-02型顶/侧热封机（深圳鹏翔运达公司研制）对试样进行热封，热封后的试样在BZ2.5/TS1S型ZWICK万能材料试验机（德国ZWICK公司研制）上进行单轴拉伸实验。

1.4.1 热封工艺参数设置

实验选用的铝塑膜厂家推荐的热封温度为190 ℃，热封时间为3 s。因此本文选取的热封温度分别为170、180、190、200、210、220、230和240 ℃，热封时间分别为3、4、5、6、7和10 s，热封压力为热封机自身固定压力值，约为0.6 MPa，热封区域的宽度为6 mm。

1.4.2 铝塑膜热封强度的测定

热封后的铝塑膜放置于万能材料试验机进行单轴拉伸实验，拉伸速率5 mm/min，记录最大拉伸载荷。依照GB/T 22638.7—2008《铝箔试验方法第7部分：热封强度的测定》，其热封强度定义为在固定宽度下的最大拉伸载荷。固定的宽度一般选取15 mm。所以其热封强度单位为N/15mm。每种热封条件下重复测试5个试样，取其平均值作为该热封条件下的热封强度。

1.4.3 铝塑膜表观模量的测定

如图2为热封试样（T=230℃，t=10s）的拉伸应力-应变曲线。从图上可以看出在拉伸的初期应力和应变近似满足线性关系，这是铝箔和黏合剂热合后共同受拉的结果。把这段斜线的斜率定义为“表观弹性模量”，以E表示。运用线性回归法计算其斜率的值。

在图2中，应变从0到0.05时，曲线近似认为是直线，红色虚线的斜率即为铝塑膜在230 ℃、10 s热封后的表观弹性模量。

铝塑膜热封前和热封后（240 ℃、5 s）的拉伸载荷-位移曲线如图3所示。无论是热封前还是热封后，随着位移的增加，载荷先线性上升，再非线性上升到最大值，试件发生破裂，然后载荷开始下降。同时从图3可以看出，铝塑膜热封后的最大拉伸强度低于其热封前的最大拉伸强度。

试样的热封强度随热封温度的变化规律如图4所示。首先，随着热封温度的升高，热封强度呈上升趋势，且在一定热封温度范围内上升趋势较为明显。从图4中可以看出，当热封温度从190 ℃上升到220 ℃时，试样的热封强度明显地上升；其次，热封时间相对较短时，热封强度随热封温度上升呈缓慢上升趋势，然后逐渐趋于稳定、甚至微小的降低；热封时间较长时，热封强度随热封温度上升趋势更为明显，最终趋于稳定，如热封时间为3 s、4 s的试样，由180～240 ℃热封强度大概提高了30 N/15mm左右，而对于7 s、10 s的试样，热封强度提高了（50～60 N）/15mm。试样的热封强度随温度的上升而提高是因为温度的升高使铝塑膜热封层材料更为彻底地熔合在一起，其热黏性得到更充分的利用。热封强度最终趋于稳定，是由于完全熔融的热封层材料已经充满了整个热封区域，铝塑膜已经完全黏合，温度的持续上升只会使其溢出热封区域，不能提高其黏合程度，甚至冷却后形成裂纹，造成热封强度的略微下降。

热封时间对试样热封强度的影响规律如图5所示。热封温度相对较低时（180 ℃和190 ℃），热封时间对热封强度的影响不大；随着热封温度的升高，热封强度随热封时间的增加趋于明显，最终趋于稳定，如180 ℃时，试样热封强度随时间延长几乎不发生变

化，而在220～240 ℃时，热封时间从3 s增加到10 s时，试样的热封强度提高了30～40 N/15mm，这可能是因为热封温度较低时，铝塑膜热封层未完全熔合，热封区域中热封材料尚未达到熔点，热封时间的延长并不能使铝塑膜的热封层完全黏合。而热封温度较高时，时间的延长可使热封层充分接触和完全熔合，从而提高了热封强度。此外，由图5可知，3 s时，虽然180 ℃下热封试样的热封强度为29.4 N/15mm，但已经超过了厂家给出的该铝塑膜的热封强度（22.5 N/15mm），说明3 s也是合理的热封时间。

热封温度对铝塑膜试样表观弹性模量的影响如图6所示。可以看到，总的说来，试样的表观弹性模量是随着热封温度的升高而升高的，而且热封时间越长，表观弹性模量越容易在低温下显著升高，如3 s、4 s时，弹性模量大概在210 ℃出现较大升高，而10 s时，表观弹性模量在190 ℃就开始出现显著提高，但最终会趋于稳定。“表观弹性模量”的大小主要受热封层材料热合效果的影响，黏得牢，则“模量”大，黏合效果好。热封温度较高时，热封层材料已经达到很高的表观弹性模量，接近极限后趋于稳定。

热封时间对铝塑膜试样弹性模量的影响如图7所示。可以看到，试样弹性模量随热封时间的延长而升高，最终趋于稳定。如热封时间在7 s和10 s下，试样弹性模量的升高已经微乎其微。

对铝塑膜试样在不同温度进行热封，发现在170 ℃、3 s时，两层铝塑膜未能发生封合，说明在此温度下，热封层材料并未达到其熔点，无法融合在一起。因此，合理的热封温度应至少在180 ℃以上，即180 ℃为其热封温度下限。

热封强度测试后，对拉伸破坏后的试样进行观察和总结，发现铝塑膜的拉伸破坏模式

主要分界面破坏、内聚破坏、剥离破坏以及断根破坏4种模式，这与文献[15]研究PET/AI/PE包装膜的结果类似。图8显示了不同破坏模式示意图以及铝塑膜的实际破坏图，红色虚线框内即为铝塑膜发生拉伸破坏的区域。界面破坏[图8(a)]发生在热封层之间的界面，断裂伸长率低，热封强度不高；内聚破坏[图8(b)]发生在热封层或复合膜，拉伸过程中有颈缩现象，由较大的断裂伸长率和韧性破坏，是种理想、可接受的破坏模式，说明热封试样的热封质量较好；剥离破坏[图8(c)]发生在复合膜的层间，由于复合膜层间的剥离强度较低，引起层间分开，断裂伸长率较大；断根破坏[图8(d)]发生在复合膜的热封边缘，断裂伸长率较低，虽然试样热封强度高，但密封性和抗冲击性能较差。

表1总结了铝塑膜在各种热封工艺下拉伸破坏模式出现的概率分布。从图9可以看出，热封时间对破坏模式的影响不是特别明显，而热封温度的影响则较为明显。从图10可以看出，在190～210 ℃时，内聚破坏出现的概率较高，且不出现断根破坏，说明此时试样热封质量较高，为比较合理的热封温度，而在220～240 ℃时，出现断根破坏的几率上升，说明热封质量可能受到了影响，断裂伸长率下降，密封性和抗冲击性能也受到了影响。

本工作实验研究了不同热封工艺（热封温度和热封时间）对商用软包装锂离子电池铝塑膜的热封强度和表观弹性模量的影响，结果如下。

（1）热封强度随热封温度的升高而升高，最终趋于一个稳定的值。

（2）在热封温度相对较低的情况下，热封时间对热封强度的影响不大；热封温度较高时，热封强度会随热封时间的增加而升高，最终趋于稳定。

（3）表观弹性模量随着热封温度的升高而升高。而且热封时间越长，且热封温度较低时，表观弹性模量有显著地升高；当热封温度较高时，表观弹性模量上升不是特别明显。

（4）拉伸破坏模式以内聚破坏为主，随着温度升高和时间增加，断根破坏出现的概率逐渐升高。

本文将热封强度试验结果与软包装锂离子电池封装工程实际相结合，可以认为如果以缩短热封周期为目标，合理的热封工艺应为210 ℃、3 s；而如果以提高热封强度为主要目标，则可在190～210 ℃热封温度下，适当延长热封时间。

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