鋰離子電池制片中輥壓工序的問題與對(duì)策探討

郝鵬

摘 要：在市場(chǎng)中，鋰離子電池的比重較大。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因，得益于生產(chǎn)工藝的不斷完善。本文中，首先闡述鋰離子電池制片中輥壓工序的問題。然后結(jié)合筆者的工作經(jīng)驗(yàn)，從多個(gè)角度探究針對(duì)性的解決對(duì)策。基于此，可以為相關(guān)人員提供參考，同時(shí)進(jìn)一步提高輥壓工序的合理性，提升鋰離子電池制片的生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：鋰離子;電池制片;輥壓工序

1 引言

目前，我國鋰離子電池的質(zhì)量不斷強(qiáng)化，不僅在國內(nèi)有著良好的銷售量，也逐漸占據(jù)國際市場(chǎng)。從當(dāng)前的情況來看，雖然鋰離子電池制片的工藝水平在不斷提高，但是經(jīng)過詳細(xì)的分析可以發(fā)現(xiàn)，制片環(huán)節(jié)中的輥壓工序存在諸多需要優(yōu)化的問題，一定程度上會(huì)限制企業(yè)的發(fā)展。對(duì)此，必須結(jié)合實(shí)際對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化、調(diào)整，全面提高生產(chǎn)工序的合理性，在根本上提高市場(chǎng)的競爭力。

輥壓工序是承接涂布工序的極卷，在雙輥壓力的作用下可以把極片壓實(shí)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)厚度的有效控制。基于此，可以有效強(qiáng)化剝離強(qiáng)度、減少離子傳輸距離的效果。輥壓后，極片結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定的狀態(tài)，同時(shí)顆粒之間的空隙、間距逐漸縮小，提高工藝的整體水平。

2 鋰離子電池制片中輥壓工序的問題

2.1 極片延展打皺問題

無論使用銅箔還是鋁箔，其都存在相應(yīng)的延展性。在進(jìn)行輥壓工序的過程中，因?yàn)樾枰獙?duì)活性物質(zhì)進(jìn)行壓實(shí)，同時(shí)活性物質(zhì)會(huì)對(duì)箔片產(chǎn)生擠壓，最終導(dǎo)致箔片產(chǎn)生延展問題。在涂布的環(huán)節(jié)中，通常會(huì)因?yàn)楣?jié)省活性物質(zhì)，而適當(dāng)縮小涂布的寬度，帶的邊緣會(huì)存在數(shù)毫米不被活性物質(zhì)覆蓋的區(qū)域。因此在進(jìn)行輥壓的過程中，有涂布活性物質(zhì)的區(qū)域與軋輥接觸，從而被滾壓延展;同時(shí)，沒有涂布活性物質(zhì)的區(qū)域不會(huì)與軋輥接觸。如此，極片延展不一，從而在涂料與非涂料的臨界區(qū)域的外觀上形成波浪形皺褶，平行的波浪痕跡與箔帶運(yùn)動(dòng)方向垂直。這樣的褶皺問題，不僅影響外觀還會(huì)出現(xiàn)脫落、凸起、裂縫等現(xiàn)象[2]。

2.2 極片翹曲斷裂問題

長期以來，制約輥壓工序生產(chǎn)效率的一個(gè)重要因素就是極片斷裂，特別是在這個(gè)追求高壓實(shí)密度的時(shí)代。在進(jìn)行輥壓工序的過程中，極片經(jīng)常會(huì)呈一定程度的內(nèi)凹外凸的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)，就會(huì)對(duì)極片分切、卷繞等后續(xù)工序產(chǎn)生不良影響。而導(dǎo)致極片翹曲斷裂的一個(gè)重要因素就是活性物質(zhì)覆蓋的區(qū)域邊緣因?yàn)檩亯貉诱苟襁?，涂料區(qū)邊緣會(huì)呈現(xiàn)亮邊現(xiàn)象，即邊緣區(qū)域活性物質(zhì)面密度高于中間區(qū)域。由于邊緣厚度較中間部位大幾微米或十幾微米，輥壓軋輥壓力作用在極片上時(shí)，邊緣厚度大的區(qū)域會(huì)承受更大的軋制力，從而導(dǎo)致極片輥壓壓實(shí)橫向密度不一致，造成了極片輥壓后翹曲嚴(yán)重，對(duì)后續(xù)的分切工藝也會(huì)產(chǎn)生不利影響。同時(shí)，因?yàn)檫吘墔^(qū)域活性物質(zhì)過高的面密度，會(huì)使箔材本身在輥壓的過程中被過度壓延而出現(xiàn)翹曲變形、微小裂紋，從而導(dǎo)致極片斷裂。

2.3 滾軸壓實(shí)問題

為提升電池能量密度，減少極片厚度反彈，通常會(huì)采用二次輥壓的工藝，即采用循序漸進(jìn)的輥壓方法。具體說來，就是雙輥連軋的輥壓工藝。在雙主機(jī)連軋環(huán)節(jié)中，萡帶需要與雙輥軸向嚴(yán)格垂直。只有這樣，才能夠保障萡帶所覆蓋的活性物質(zhì)得到均勻的受力，最終獲得憑證的壓實(shí)效果。但是，在進(jìn)輥的過程中會(huì)出現(xiàn)萡帶偏差的現(xiàn)象，即角度傾斜或者操作員擺放的位置不合理。受以上因素的影響，會(huì)導(dǎo)致萡帶的一側(cè)出現(xiàn)褶皺現(xiàn)象，降低受力的均衡性。基于此種工況，完成輥壓以后萡帶表面的活性物質(zhì)，也同樣會(huì)出現(xiàn)大面積褶皺的問題。也就是說壓實(shí)表面不均勻或者位置不均衡。

3 鋰離子電池制片中輥壓工序問題的解決對(duì)策

3.1 優(yōu)化輥壓前的攪拌工藝

操作員應(yīng)該對(duì)加工前的步驟進(jìn)行優(yōu)化，提高工作的整體質(zhì)量，其中主要包括涂布、混料。具體而言，在混料的過程中應(yīng)該加快攪拌的速度，同時(shí)還應(yīng)該延長攪拌的時(shí)間，以此來全面提高混料的均勻性?；诖朔N方式，可以避免出現(xiàn)聚團(tuán)的現(xiàn)象。但是，如果攪拌速度過快或者時(shí)間過長，則會(huì)增加電力消耗以及機(jī)械磨損。因此會(huì)增加鋰離子電池制片的生產(chǎn)成本。同時(shí)，不同類型的正極材料所對(duì)應(yīng)的分布能力存在明顯差異，所以工藝設(shè)計(jì)人員應(yīng)該全面掌握相應(yīng)材料的性能，實(shí)現(xiàn)對(duì)攪拌步驟、時(shí)間、攪拌強(qiáng)度的合理設(shè)計(jì)。在涂布過程中，應(yīng)該對(duì)其寬度進(jìn)行合理控制，避免影響壓實(shí)的均勻性。在這一環(huán)節(jié)中還應(yīng)該避免氣泡、顆粒干料的出現(xiàn)，并對(duì)箔材表面進(jìn)行清潔，防止著料不勻的問題。

3.2 優(yōu)化輥壓前的涂布工藝

在涂布過程中，首先，需保障極片涂布的一致性，既要保證極片橫向面密度一致性，還要保證整卷極片縱向涂布的均勻性，并配備面密度檢測(cè)儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。同時(shí)，針對(duì)厚邊現(xiàn)象，還要對(duì)極片活性物質(zhì)涂布邊緣提前進(jìn)行削薄處理。極片涂布邊緣削薄工藝，具體而言，就是控制削薄的區(qū)域和削薄的量，既要控制好極片在輥壓過程中，中間涂布的活性物質(zhì)向兩邊延展量，還要注意電芯組裝時(shí)的每一處正負(fù)極極片對(duì)應(yīng)的容量匹配性。如此，精確的涂布工藝，在改善輥壓異常的同時(shí)，也提高了輥壓的極片厚度精度和活性物質(zhì)與集流體的粘接強(qiáng)度。

3.3 對(duì)輥壓過程進(jìn)行品質(zhì)監(jiān)控

在生產(chǎn)鋰離子電池的過程中，操作人員需對(duì)極片的厚度進(jìn)行合理控制。對(duì)于有條件的生產(chǎn)車間而言，可以將光學(xué)厚度實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用在生產(chǎn)中。企業(yè)盡可能增加資金投入，實(shí)現(xiàn)對(duì)技術(shù)、設(shè)備的更新，將光學(xué)厚度實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用在其中。有能力的企業(yè)，還可引入大數(shù)據(jù)分析方法，對(duì)比光學(xué)厚度檢測(cè)儀實(shí)時(shí)監(jiān)控的數(shù)據(jù)和設(shè)備的調(diào)整參數(shù)（壓力、輥縫），快速找出最佳設(shè)備參數(shù)值，從而減少產(chǎn)品報(bào)廢量，控制產(chǎn)品合格率。通過以上的方式，可以提高輥壓環(huán)節(jié)產(chǎn)品品質(zhì)管控的科學(xué)性，提高設(shè)備的智能程度，降低對(duì)員工經(jīng)驗(yàn)的依賴程度。

3.4 對(duì)極片延展的處理方法

對(duì)于輥壓工序中存在箔片邊緣存在的波紋問題，需嚴(yán)格控制設(shè)備上各輥的水平度、平行度以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，同時(shí)，必須還需在涂布的過程中對(duì)其寬度進(jìn)行控制，盡可能減少金屬裸露的面積。通過此方式可以實(shí)現(xiàn)對(duì)延展問題的控制。另外，可以運(yùn)用拉伸的方式對(duì)非著料部分進(jìn)行塑性延展，從而與著料部分的輥壓延展相匹配，進(jìn)而改善極片褶皺。操作人員還可以組合型雙輥應(yīng)用在生產(chǎn)中，即中間部分的輥長等于著料的寬度，兩側(cè)貼合直徑稍大的雙輥可以未著料的部分進(jìn)行延展。不僅如此，還可以對(duì)較寬輥上著料的厚度進(jìn)行測(cè)量，然后對(duì)著料之外的部分進(jìn)行PTFE膜覆蓋，從而在減輕延展性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)波紋的消除。對(duì)于PTFE膜的厚度而言，主要根據(jù)未著料部分、著料部分的具體厚度確定。由于PTFE膜的軟硬程度適當(dāng)，不僅可以對(duì)箔片的邊緣進(jìn)行襯托延展，還能夠?qū)ΣM(jìn)行保護(hù)[3]。另外，對(duì)非著料部分進(jìn)行加熱，能很好的改善拉伸過程中塑性延展的效果，減少大張力拉伸的斷帶風(fēng)險(xiǎn)。除此之外，在工藝設(shè)計(jì)方面應(yīng)該合理解決涂料位置受力問題、極片留白問題，進(jìn)而避免出現(xiàn)打皺的現(xiàn)象。這一過程中，應(yīng)該對(duì)壓實(shí)密度、涂布密度進(jìn)行合理選擇，適當(dāng)降低其密度實(shí)現(xiàn)對(duì)打皺現(xiàn)象的控制。

3.5 提高極片壓實(shí)密度

雙輥連軋的過程中，由于雙輥、箔片之間必須呈現(xiàn)垂直的關(guān)系，所以為了實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，可以增加過輥的具體個(gè)數(shù)。運(yùn)用這樣的方式，可以調(diào)整箔片以平整的狀態(tài)進(jìn)入其中，實(shí)現(xiàn)對(duì)箔片進(jìn)入角度的有效輔助。此外，通過主機(jī)擺放和過輥安裝精度，來保障雙輥、箔片之間垂直關(guān)系的嚴(yán)密性和穩(wěn)定性。為了能夠并不斷提高極片生產(chǎn)工藝的水平，必須積極調(diào)整機(jī)械結(jié)構(gòu)，對(duì)極片進(jìn)行位置導(dǎo)向、褶皺展平等。

此外，針對(duì)高壓實(shí)密度，還可以采用軋輥加熱的方式。可有效減少極片的內(nèi)應(yīng)力，減緩極片切割時(shí)，極片的內(nèi)應(yīng)力的釋放而影響極片切口質(zhì)量;同時(shí)，極片在加熱過程中材料處于熔融狀態(tài)，輥軋可以增加活性物質(zhì)與流體之間的粘合力，減少極片的在軋制后的材料反彈;此外，還可以降低電池極片的變形抗力，有利于提高活性物質(zhì)的吸液量。

3.6 提高軋輥表面的整潔性

在鋰離子電池制片中輥壓工序的優(yōu)化中，需要重視軋輥表面的情節(jié)性，避免對(duì)極片生產(chǎn)不良的問題。為了實(shí)現(xiàn)著這一目標(biāo)，操作人員可以使用刮刀、吸塵盒對(duì)輥表面進(jìn)行處理，減少雜物對(duì)生產(chǎn)質(zhì)量的影響。另外，還可以在無紡布上噴灑溶劑對(duì)滾動(dòng)的設(shè)備表面予以清潔處理。同時(shí)，如果在軋輥的表面使用高致密性物質(zhì)作為鍍層，將會(huì)在很大程度上改善粘料的問題。在具體生產(chǎn)過程中，需要操作人員結(jié)合自身的實(shí)際運(yùn)行需求，對(duì)具體的清潔方式進(jìn)行選擇。基于此，在優(yōu)化鋰離子電池制片生產(chǎn)工序的同時(shí)，還能夠?qū)Ξa(chǎn)品的質(zhì)量實(shí)現(xiàn)有效的保障，并減少成本的支出，為推動(dòng)生產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

綜上所述，在鋰離子電池制片中輥壓工序的問題存在很多方面，主要表現(xiàn)是連續(xù)性問題、精度性問題、延展性問題以及壓實(shí)褶皺問題。一旦出現(xiàn)上述問題，應(yīng)該積極通過恰當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)的優(yōu)化，從而提高鋰離子制片的生產(chǎn)工藝。長此以往，能夠推動(dòng)鋰離子電池制片的生產(chǎn)向著更加成熟、先進(jìn)的方式發(fā)展，并實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]奚紅雪，劉新剛，張楚虹.靜電紡絲法制備自支撐二氧化錫/碳復(fù)合柔性電極及其在鋰離子電池中的應(yīng)用[J/OL].高分子材料科學(xué)與工程：1-9[2019-06-07].

[2]許希軍，于李濤，張立國，劉軍.鐵基電極材料在鋰/鈉離子電池中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J/OL].中國材料進(jìn)展：1-15[2019-06-07].

[3]劉斌斌，杜曉鐘，閆時(shí)建，王榮軍，王金鵬.制片工藝對(duì)動(dòng)力鋰離子電池性能的影響[J].電源技術(shù)，2018，42（06）：788-791+894.