鋰電池極片輥壓技術(shù)探討

付春慧 高榮良 李青松

摘 要：鋰離子電池生產(chǎn)工序中，輥壓是極片最常用的壓實(shí)工藝，相對(duì)于其他工藝過程，輥壓對(duì)極片孔洞結(jié)構(gòu)的改變巨大，且會(huì)影響導(dǎo)電劑在極片敷料區(qū)的分布狀態(tài)，從而影響電池的電化學(xué)性能。通過總結(jié)鋰電池極片輥壓技術(shù)、制造過程中輥壓設(shè)備的注意事項(xiàng)，進(jìn)而探討輥壓調(diào)試過程中各類問題解決方案。

關(guān)鍵詞：鋰電池;輥壓機(jī);極片;壓實(shí)密度;撓曲變形;調(diào)試

一、引言

鋰離子電池作為目前應(yīng)用最為廣泛、商業(yè)化程度最高的二次電源，廣泛用于汽車行業(yè)、儲(chǔ)能行業(yè)、軍工行業(yè)等。鋰離子電池的主要生產(chǎn)工序包括：配料、涂布、輥壓、分切、卷繞/疊片、組裝、注液、化成、分容等。

極片的厚度一致性對(duì)動(dòng)力鋰離子電池組的容量、循環(huán)壽命和安全性等有重要的影響[1]，而為實(shí)現(xiàn)極片厚度一致性，需對(duì)輥壓工序進(jìn)行深入的研究。

極片輥壓改善電極中顆粒之間的接觸，及電極涂層和集流體之間的接觸面積，降低了不可逆容量損失、接觸內(nèi)阻和交流阻抗;另一方面，輥壓導(dǎo)致的極片壓實(shí)太高，也會(huì)導(dǎo)致孔隙率損失，孔隙的迂曲度增加，活性物質(zhì)顆粒表面粘合劑被擠壓，限制了電解液的擴(kuò)散和鋰離子的嵌入/脫嵌，電池的倍率性能下降，因此輥壓工藝對(duì)鋰離子電池的電性能起到關(guān)鍵影響。

輥壓對(duì)電池電性能的影響主要有以下幾點(diǎn)：

a、對(duì)電池能量密度的影響：根據(jù)法拉第定律，電池電極電量與活性物質(zhì)的質(zhì)量成正比。極片的輥壓決定了極片的壓實(shí)密度，直接影響了電池內(nèi)部單位體積活性物質(zhì)的含量，從而影響電池能量密度。

b、對(duì)電池循環(huán)壽命的影響：極片輥壓可影響活性物質(zhì)在集流體上的附著力，而附著力直接決定了活性物質(zhì)在電池充放電過程中的分離與脫落，活性物質(zhì)從集流體上分離和脫落導(dǎo)致電池的循環(huán)壽命的衰減。

c、對(duì)電池內(nèi)阻的影響：極片的壓實(shí)密度影響極片內(nèi)部孔隙分布，從而影響極片中電解液的浸潤(rùn)效果和電子傳導(dǎo)效果，因此影響著電池的內(nèi)阻。

d、對(duì)電池安全性能的影響：極片壓實(shí)密度的均勻性、表面粗糙度與電池負(fù)極析鋰、正極析銅、尖角放電等有較大關(guān)系，進(jìn)而影響電池的安全性能。

輥壓機(jī)主要用于電池極片軋制生產(chǎn)，采用閉式高強(qiáng)度高剛性機(jī)架，兩輥上下布局，水平輥壓，軋機(jī)專用四列圓柱輥?zhàn)虞S承（P5級(jí)精度），伺服電機(jī)輥縫精確調(diào)整，變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)軋輥運(yùn)轉(zhuǎn)，氣液增壓泵施壓，壓力傳感器監(jiān)控系統(tǒng)壓力變化。輥壓機(jī)具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，調(diào)節(jié)精度高，輥壓精度高，操作方便等，整機(jī)設(shè)計(jì)需要合理、簡(jiǎn)捷、美觀，融可靠性、實(shí)用性與高效性于一體。

二、輥壓設(shè)備的基本功能

輥壓壓力調(diào)整及快速反應(yīng)功能：輥壓機(jī)軋輥間的壓力是調(diào)節(jié)電池極片壓實(shí)密度的必要條件，由于涂布間隙、單雙面交錯(cuò)等因素的影響，軋輥間的壓力調(diào)整須在極短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行快速反應(yīng)。

軋輥間隙調(diào)整及準(zhǔn)確復(fù)位功能：輥壓機(jī)兩軋輥間的間隙是調(diào)節(jié)電池極片厚度的必要條件。由于極片涂布方式變化及極片連續(xù)生產(chǎn)的需要，兩軋輥間的間隙須快速調(diào)整并可準(zhǔn)確復(fù)位。

輥壓張力調(diào)整與快速反應(yīng)功能：極片輥壓過程中通過調(diào)節(jié)前后張力控制極片的板型平整度。輥壓過程中輥壓線速度經(jīng)常發(fā)生瞬間突變，張力控制快速反應(yīng)是防止斷帶的重要手段。

軋輥無級(jí)調(diào)速與線速度同步功能：輥壓機(jī)在啟停過程中或根據(jù)工藝需要對(duì)兩只軋輥進(jìn)行無級(jí)變速，同時(shí)確保兩只軋輥的線速度一致。

輥壓溫度調(diào)整功能：輥壓機(jī)啟動(dòng)過程中溫度可直接影響塑性變形量。

輥壓變形的矯正功能：極片輥壓的溫度影響兩只軋輥的軸向撓曲變形和徑向鼓脹變形，軋輥的變形則直接影響電池極片的厚度均勻性和壓實(shí)密度均勻性。

輥壓機(jī)的智能控制功能：隨著極片輥壓速度及自動(dòng)化程度的不斷提升，自動(dòng)上下料、自動(dòng)接帶、自動(dòng)加壓、自動(dòng)調(diào)隙、在線監(jiān)測(cè)等都要求進(jìn)行閉環(huán)控制甚至智能控制。

軋輥的清潔及維護(hù)保養(yǎng)：輥壓過程中兩只軋輥表面經(jīng)常發(fā)生粘粉，保持輥面清潔可減少軋輥磨損，同時(shí)可提高電池極片表面質(zhì)量，因此對(duì)輥壓機(jī)進(jìn)行定期清潔、維護(hù)保養(yǎng)非常必要。

三、輥壓設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)

電池極片軋輥的抗磨損技術(shù)：極片輥壓基本上屬于粉末軋制，軋輥的主要失效形式是磨粒磨損和鑲嵌磨損。提高抗磨粒磨損主要利用合金材料耐磨性能和抗疲勞強(qiáng)度;抗鑲嵌磨損主要從硬度均性和抗疲勞點(diǎn)蝕出發(fā);軋輥磨損不僅影響生產(chǎn)效率、生產(chǎn)成本，也影響電池自放電率甚至安全性。

電池極片軋輥?zhàn)冃纬C正技術(shù)：極片輥壓過程中兩軋輥存在軸向撓曲變形和徑向鼓脹變形 [2]。極片厚度一致性對(duì)鋰離子電池容量、循環(huán)壽命和安全性能有重要影響。軸向撓曲變形矯正主要通過外力反變形矯正、軋輥形狀矯正、軋輥結(jié)構(gòu)矯正;徑向鼓脹變形矯正主要通過軋輥受熱均勻和冷卻均勻技術(shù)。

電池極片軋輥閉環(huán)調(diào)壓及快速響應(yīng)技術(shù)：由于電池極片涂布工藝的技術(shù)要求，輥壓常遇到極片橫向間歇涂布、單雙面交錯(cuò)涂布，為達(dá)到活性物質(zhì)壓實(shí)密度的均勻性，須應(yīng)用軋輥壓力閉環(huán)控制及快速響應(yīng)技術(shù)。

電池極片輥壓張力閉環(huán)控制技術(shù)：通過控制極片輥壓過程的前后張力大小、支點(diǎn)、輥壓包角等，來達(dá)到控制極片的平整性、內(nèi)應(yīng)力均勻分布、延展率及斷帶率的目的。

電池極片輥壓精度及抗變形技術(shù)：電池極片壓實(shí)密度的均勻性對(duì)防止枝晶以及尖角放電發(fā)生起到關(guān)鍵作用?？赏ㄟ^控制軋輥的尺寸、形狀、位置精度及表面粗糙度來提高電池極片軋輥抗變能力，保證極片輥壓厚度的一致性。除了軋輥關(guān)鍵技術(shù)外，電池極片輥壓設(shè)備的結(jié)構(gòu)、零部件加工與選購(gòu)、整機(jī)裝配技術(shù)、電控系統(tǒng)也是影響因素。

電池極片輥壓環(huán)境的控制技術(shù)：極片輥壓環(huán)境主要指環(huán)境濕度和潔凈度，這是極易被忽視的重要問題。三元材料、鈦酸鋰材料的吸水性能非常好，吸水后材料表面堿性增大，加速電池性能惡化;粉塵則對(duì)電池自放電率影響較大。

四、輥壓設(shè)備的設(shè)計(jì)與制造

電池極片輥壓設(shè)備經(jīng)歷了代用品、通用品、專用品的發(fā)展階段，目前正進(jìn)入服務(wù)品發(fā)展的初期，特點(diǎn)是解決問題成為主要目的。為了系統(tǒng)性分析所要解決的問題，須重視技術(shù)的使用。

由于目前電池極片涂布主要是模向間歇、單雙面交錯(cuò)、連續(xù)、縱向間隙等方式，正負(fù)極片可能擁有不同的面密度，不同晶體結(jié)構(gòu)材料、不同尺寸幅寬等，因此輥壓設(shè)備需要有針對(duì)性的設(shè)計(jì)開發(fā)。

a、軋輥的設(shè)計(jì)與制造：包括軋輥材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、輥面粗糙度的設(shè)計(jì)檢測(cè)、冶煉方式、熱處理方式等。

b、動(dòng)力傳輸方式的設(shè)計(jì)與制造：雙電機(jī)減速路直驅(qū)方式、單電機(jī)減速器加齒輪箱分軸驅(qū)動(dòng)。

c、間隙結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制造：設(shè)計(jì)軸承間隙及軋輥輥軸向反撓曲變形的實(shí)現(xiàn)方式與制造工藝。

d、調(diào)隙方式的設(shè)計(jì)與刺造：調(diào)隙方式斜鐵調(diào)隙、蝸輪蝸桿調(diào)隙的選擇。

e、加壓及快速響應(yīng)的設(shè)計(jì)與制造：目前常見輥壓設(shè)備加壓方式：渦輪蝸桿加壓、液壓缸加壓、氣液增壓快速反應(yīng)、彈簧快速反應(yīng)。

f、張力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造：磁粉離合器、磁粉制動(dòng)器，伺服電機(jī)、傳感器等張力閉環(huán)控制系統(tǒng)，張力支撐點(diǎn)及輥壓包角的設(shè)計(jì)與制造。

g、在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造：為應(yīng)對(duì)電池極片的生產(chǎn)品質(zhì)和效率不斷提高的要求，對(duì)于在線監(jiān)測(cè)極片厚度均勻性、露箔、氣孔、掉粉等缺陷的需求相應(yīng)提高。如觸點(diǎn)激光檢測(cè)、放射線檢測(cè)等。

h、切邊、除塵、清潔系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造：極片輥壓后切邊、刷分、除塵、輥面清潔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造。

i、收放卷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造：為提高效率，自動(dòng)上下卷料備受重視，包括實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)與控制、自動(dòng)斷帶、接帶的設(shè)計(jì)與制造。

j、環(huán)境溫濕度與潔凈度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造：極片輥壓環(huán)境控制在電池制造過程中尚未引起高度重視，環(huán)境控制一致性存在難保證、難提高的問題，因此控制環(huán)境小型化封閉化勢(shì)在必行。

五、輥壓過程控制

1、電池極片輥壓的基本原理

電池極片輥壓屬于粉末軋制，其目的是提高電池極片活性物質(zhì)的壓實(shí)密度及均勻性，提高活性物質(zhì)的附著力，降低表面粗糙度。

a、垂直壓實(shí)與縱向延展：在輥壓過程中，兩軋輥對(duì)極片的壓力實(shí)際上是垂直壓力和水平壓力的協(xié)同作用，其大小取決于極片活性物質(zhì)的壓縮量大小和軋輥咬入角。在極片活性物質(zhì)壓縮量一定的前提下，垂直壓力和水平壓力的大小取決于兩只軋輥的咬入角，咬入角大則水平壓力大，咬入角小則重直壓力大。而壓實(shí)密度取決于垂直壓力大小，縱向壓伸率取決于水平壓力大小。

b、極片壓實(shí)密度均勻性與表面粗糙度：在極片涂布厚度均一的條件下，電池極片壓實(shí)密度均勻性取決于兩軋輥間接觸母線的平行度。軋輥間的平行度的影響因素主要包括軋輥同軸度、輥身圓柱度，軸承精度、設(shè)備剛性穩(wěn)定性，軋輥兩端縫隙調(diào)整等;而極片輥壓表面粗糙度取決于活性物質(zhì)的顆粒大小和軋輥表面的粗糙度。

c、集流體延伸與活性物質(zhì)顆?；疲轰X箱或銅箔集流體在大輥徑扎輥輥壓設(shè)備上輥壓時(shí)很難延展，但粘貼在集流體上的活性物質(zhì)會(huì)在水平壓力的準(zhǔn)動(dòng)下發(fā)生位移，進(jìn)而帶動(dòng)電池極片集流體延伸，延伸率影響了極片的平整性和導(dǎo)電性。

d、電池極片局部延伸壓縮與內(nèi)應(yīng)力不均：極片涂布厚度若存在誤差，兩軋輥接觸母錢平行度也存在誤差。因此電池極片上活性物質(zhì)在局部的壓實(shí)密度不均勻，存在局部延展與周邊壓縮，造成了極片內(nèi)應(yīng)力不均，進(jìn)而影響了電池極片板型的平整度。

e、極片壓實(shí)密度、延伸率與輥徑：兩軋輥咬入角大小決定極片的壓實(shí)密度和延伸率，而軋輥本身直徑的大小直接決定了咬入角大小。輥徑大則咬入角小，輥徑小則咬入角大。

f、極片輥壓厚度反彈：輥壓速度慢會(huì)減小極片活性物質(zhì)的彈性變形量，降低輥壓后的厚度反彈。如果輥壓速度提高到一定數(shù)值時(shí)，極片輥壓后的厚度反彈反而變小，可能是受環(huán)境濕度影響。極片中活性物質(zhì)的吸水量不僅影響活性物質(zhì)的表面堿性，也影響厚度反彈量。

g、極片輥壓內(nèi)應(yīng)力與張力控制：極片輥壓是壓縮變形與延展變形的過程，該過程中進(jìn)口張力影響極片的內(nèi)應(yīng)力分布，出口張力影響極片的板型平整度。

h、熱壓與極片的變形抗力：一般物質(zhì)變形抗力都會(huì)隨溫度升高而變小，塑性變形量也會(huì)隨之增大。熱壓利于減少軋輥表面磨損。

六、輥壓常見問題與解決

1、極片厚度不均勻

引起極片輥壓厚度不均的因素很多，如涂布厚度不均勻、軋輥同軸度誤差、軋輥圓柱度誤差、軋輥接觸母線不平行、軋輥軸向撓曲變形、輥壓設(shè)備的剛性穩(wěn)定性差等。這些問題均是來料及或設(shè)備本身的問題，因此調(diào)整困難。

2、極片出現(xiàn)鐮刀彎

鐮刀彎主要是由兩軋輥接觸母線不平行或極片涂布橫向厚度不均造成。

3、極片出現(xiàn)波浪邊

波浪邊的出現(xiàn)主要是由極片輥壓延展較大造成，包括軋輥?zhàn)陨碇睆叫　O片輥壓前張力小、極片厚度壓縮量大、極片涂布兩邊凸起等。

4、極片表面出現(xiàn)暗條紋

暗條紋主要是由于軋輥表面存在振紋、軋輥圓柱度誤差較大、前張力小且不均勻所致。

5、極片出現(xiàn)卷邊

卷邊一般是是極片延伸率過大所致。解決方法主要通過加大輥身直徑、減小極片壓縮量、調(diào)整極片前后張力等來改善。

6、極片出現(xiàn)斷帶

斷帶主要是張力不均不穩(wěn)定、缺少?gòu)埩焖夙憫?yīng)機(jī)制、極片涂布邊緣凸起嚴(yán)重等所致。

7、極片兩邊張力松緊不同

極片兩側(cè)張力不均主要由軋輥軸塊與各過輥軸線不平行所致，可通過調(diào)整各輥軸線平行度解決。

8、軋輥表面出現(xiàn)麻點(diǎn)

麻點(diǎn)一般是由軋輥表面的點(diǎn)蝕造成，由于軋輥材質(zhì)及熱處理金相組織不均勻，輥面抗疲勞性差引起的，同時(shí)與軋輥表面粗糙度有關(guān)。

9、極片輥壓厚度反彈

輥壓厚度反彈主要是由極片輥壓后殘余變形量大、環(huán)境溫度太低所致，可通過熱壓、慢速錯(cuò)壓，高速輥壓、降低環(huán)境相對(duì)溫濕度等措施解決。

10、極片板型不平整

版型不平整主要是由于極片輥壓變形量不均勻、前后張力小且不均或極片涂布厚度誤差所致。

參考文獻(xiàn)：

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