淺議鋰離子電池輥壓工藝對(duì)后續(xù)工藝及性能的影響

柏任流，虎恩賽，羅小虎，周 靜，賀銀菊

（黔南民族師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，貴州 都勻 558000）

鋰離子電池輥壓工藝在鋰離子電池生產(chǎn)中至關(guān)重要，其目的使涂布后的極片柔韌性增強(qiáng)，使活性物質(zhì)與載體（銅箔和鋁箔）間的粘結(jié)性增強(qiáng)，在工藝范圍內(nèi)控制極片厚度在，增強(qiáng)導(dǎo)其導(dǎo)電性。輥壓設(shè)備的選取、輥壓厚度比例的控制對(duì)鋰離子電池容量、內(nèi)阻、安全性能和電池一致性等電性能有很大影響。為此，作者利用指導(dǎo)學(xué)生參與江西迪比科公司專業(yè)實(shí)習(xí)的機(jī)會(huì)，總結(jié)出了優(yōu)化輥壓工藝的措施，希望能為鋰離子電池生產(chǎn)企業(yè)提供參考，以便優(yōu)化生產(chǎn)工藝，降低生產(chǎn)成本，提高鋰離子電池性能。

1 輥壓工藝對(duì)后續(xù)工藝的影響

鋰離子電池生產(chǎn)分為配料、涂布、輥壓、分條、制片、卷繞、封裝、化成、二封、分容、包裝等多個(gè)工序，各個(gè)生產(chǎn)工藝聯(lián)系緊密，對(duì)電池綜合性能和品質(zhì)起著至關(guān)重要的作用。輥壓工藝是鋰離子電池生產(chǎn)工藝中的重要環(huán)節(jié)，該工藝異常較多，很難把握，經(jīng)常有斷帶、打皺、麻點(diǎn)和鼓邊等問題，對(duì)后續(xù)生產(chǎn)工藝和電池性能都有很大影響。

1.1 對(duì)分條工藝的影響

分條是輥壓工藝后的第一個(gè)工藝，輥壓后極片收卷松緊程度直接影響分條效果，輥壓后收卷太松，分條的放卷張力不均勻易產(chǎn)生極片斷帶，分切面出現(xiàn)毛刺或波浪邊，影響分切效果，造成極片損失。輥壓厚度決定極片的壓實(shí)密度，對(duì)極片進(jìn)行輥壓能有效增強(qiáng)活性物質(zhì)與載體之間的剝離強(qiáng)度，使極片柔韌性增強(qiáng)，保證分條均勻。

1.2 對(duì)制片工藝的影響

對(duì)輥時(shí)，由于對(duì)輥機(jī)的不穩(wěn)定性以及涂布時(shí)面密度會(huì)有變化，輥壓厚度也會(huì)隨時(shí)改變，因此，需要按照工藝要求對(duì)極片厚度進(jìn)行測(cè)量，及時(shí)根據(jù)厚度變化調(diào)整輥縫和壓力。對(duì)極片進(jìn)行輥壓能使極片柔韌性增強(qiáng)，在制片過程中減少斷帶和膠紙脫落。經(jīng)常對(duì)軋輥進(jìn)行擦拭，能減小制片過程中異常情況的發(fā)生。

1.3 卷繞工藝的影響

輥壓厚度對(duì)卷心厚度有直接影響，輥壓厚度太厚或者太薄都有可能導(dǎo)致卷心厚度不達(dá)標(biāo)而造成損失。其次，壓實(shí)密度過高，降低了極片柔韌性，在卷繞時(shí)易斷片，造成損失。提高輥壓厚度一致性有利于正負(fù)極片及極片與隔膜之間的充分接觸，減少電池內(nèi)部阻抗。輥壓工藝中產(chǎn)生的鼓邊、麻點(diǎn)等情況也會(huì)導(dǎo)致卷芯厚度不一致，甚至刺破隔膜導(dǎo)致電池內(nèi)部短路。

1.4 對(duì)封裝工序的影響

輥壓厚度對(duì)封裝有一定影響，電芯厚度受輥壓工藝影響較大，電芯太厚易導(dǎo)致電池?zé)o法封裝，即使能封裝也不在工藝范圍而不合格完成損失。輥壓時(shí)若壓實(shí)密度過高，降低極片柔韌性甚至極片脆片，造成壓芯時(shí)卷芯內(nèi)部掉粉或極片斷裂，導(dǎo)致電芯短路而報(bào)廢。而對(duì)于圓柱電池，卷繞后的卷芯需要進(jìn)一步放入鋼殼內(nèi)，輥壓厚度直接影響電芯入殼率。

1.5 對(duì)注液及化成的影響

合適的輥壓厚度能夠更好的控制鋰離子電池注液量。研究表明，鋰電極與電解質(zhì)接觸后，立即在電極表面形成固體電解質(zhì)相界面(SEI)膜[1]。SEI膜的形成在很大程度上降低了電池內(nèi)部副反應(yīng)的發(fā)生，從而使電池安全性能和循環(huán)壽命有效提高。SEI膜是電解液中的各種成分與鋰鹽發(fā)生反應(yīng)生成的，壓實(shí)密度對(duì)其厚度和性質(zhì)影響很大，對(duì)極片進(jìn)行輥壓能有效減少鋰鹽的消耗，即減少不可逆容量的損失，也能提高SEI膜的性能。此外，活性顆粒吸液速率受壓實(shí)密度影響較大，壓實(shí)密度過高，電解液吸收速率和吸收量都會(huì)降低，壓實(shí)密度過低，則導(dǎo)致電芯吸液過多發(fā)生膨脹，產(chǎn)生大量鋰枝晶[2]，鋰離子電池各方面性能都會(huì)降低。

2 輥壓對(duì)鋰離子電池性能的影響

2.1 壓實(shí)密度對(duì)電池容量的影響

鋰離子電池被稱為搖椅電池，其主要是以鋰離子在鋰化合物材料和碳材料空隙中的嵌入和脫出實(shí)現(xiàn)充放電，壓實(shí)密度決定著活性物質(zhì)的孔隙分布，即壓實(shí)密度對(duì)鋰離子電池電池的容量有直接影響。王麗君[3]等研究表明，鋰離子電池正負(fù)極活性顆粒壓實(shí)密度過小，活性物質(zhì)之間的空隙非常大，各種成分之間的接觸不充分，從而使極片整體的導(dǎo)電性能降低；壓實(shí)密度過大，活性物質(zhì)的空隙變少，鋰離子在活性物質(zhì)中的可脫嵌通道減少，電池的容量也隨之減小。因此，將壓實(shí)密度控制在最合適范圍內(nèi)能夠有效提高電池整體性能。

2.2 壓實(shí)密度對(duì)循環(huán)性能的影響

在極片碾壓過程中，壓實(shí)密度過高，雖然增加了粒子間的接觸，增強(qiáng)了電池充放電過程中電子導(dǎo)電性，但減小了離子遷移通道或使遷移通道堵塞，降低電池容量，增加極化，造成電池電壓下降，容量衰減，循環(huán)性能降低；壓實(shí)密度過低，極片有較高的孔隙率，部分活性顆粒直接被絕緣而不能參與電池反應(yīng)，導(dǎo)致電池放電容量降低，內(nèi)阻增大，后續(xù)循環(huán)性能差。壓實(shí)密度過大，活性顆粒間的空隙變小，電池的導(dǎo)電性能明顯提高，但是由于空隙過小，導(dǎo)致電解液不能很好的滲透到電池內(nèi)部，鋰離子的傳輸效率降低，電池循環(huán)性能降低，且隨著循環(huán)次數(shù)的增加，電解液在活性物質(zhì)表面的氧化分解，使得涂層內(nèi)部的未反應(yīng)區(qū)域加大，電池極化增大，容量衰減加劇。

2.3 輥壓對(duì)內(nèi)阻的影響

研究表明，無論正負(fù)極片，壓實(shí)密度增大能有效降低電池內(nèi)阻，在原料和生產(chǎn)工藝相同的情況下，壓實(shí)密度增大，活性顆粒間的距離相對(duì)縮短，接觸幾率增大，導(dǎo)電通道增多，電池內(nèi)阻抗降低，內(nèi)阻減小。對(duì)于正極極片，電池的平均內(nèi)阻隨著輥壓厚度增大先緩慢增大，然后減小，其原因是正極極片剛開始未輥壓緊密，活性物質(zhì)間的空隙較大，部分區(qū)域相對(duì)絕緣，即內(nèi)阻也較大，隨著壓實(shí)密度的增大，活性顆粒間的空隙變小，接觸良好，電子傳輸距離變短，內(nèi)阻也隨之減小。正負(fù)極片在輥壓過程中，由于張力不均勻產(chǎn)生打皺、鼓邊和麻點(diǎn)等異常情況也會(huì)使電池內(nèi)部局部?jī)?nèi)阻增大甚至短路。

2.4 輥壓對(duì)安全性能的影響

鋰離子電池的安全性能是電池生產(chǎn)行業(yè)中面臨的重大問題所在。在動(dòng)力汽車領(lǐng)域，由于鋰電池的起火、爆炸和產(chǎn)生有害氣體等安全問題時(shí)有發(fā)生，直接影響消費(fèi)者的生命財(cái)產(chǎn)安全。影響鋰離子電池安全性能的因素很多，來自輥壓工藝的情況不可忽視。輥壓過程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)麻點(diǎn)、鼓邊、打皺等異常情況，直接導(dǎo)致極片顆粒分布極不均勻，使電池內(nèi)部局部電阻過高，循環(huán)使用時(shí)易自燃和爆炸。鋰離子電池的輥壓厚度也是影響安全性能的重要因素，輥壓厚度太小，易使極片活性物質(zhì)顆粒破碎，減小空隙率和電解液的浸潤(rùn)效果從而使電池內(nèi)阻增大甚至局部短路，副反應(yīng)程度增加，產(chǎn)熱量和有害氣體隨之增加，安全性能降低。

2.5 對(duì)電池一致性的影響

電池一般是以電池組的形式工作，輥壓過程中，極片的凸點(diǎn)和麻點(diǎn)是電池一致性影響因素的重要來源，由于極片的凸點(diǎn)等情況，電池內(nèi)部局部電阻過大，產(chǎn)生極化，電池組充放電的一致性降低。軋制力、極片寬度以及軋輥的輥徑都會(huì)對(duì)軋輥的撓度變形產(chǎn)生影響，軋制力變大,軋輥本身的變形也在逐漸增大,由于軋輥兩端軸頸承受軋制力,引起軋輥撓度變形增大,最終導(dǎo)致極片截面厚度差也隨之增大;當(dāng)增大極片寬度即增大靜態(tài)軋制面積時(shí),軋輥受力集中程度在逐漸減小,因此輥身總變形也在逐漸減小;輥徑變大,輥身的變形將變小,極片厚度均勻性變好。在動(dòng)力鋰離子電池工業(yè)化生產(chǎn)中，極片輥壓厚度波動(dòng)在0mm～0.009mm不影響電池一致性和整體性能的發(fā)揮。

3 輥壓工藝優(yōu)化措施建議

3.1 采用多次輥壓工藝

研究表明，采用多次輥壓能在一定程度上有效提高輥壓效果。由于一次輥壓易將活性顆粒壓碎，且極片不同位置的活性物質(zhì)孔徑大小也不一致，輥壓均勻性較差，影響電池性能；采用二次輥壓不但能能有效保護(hù)活性顆粒，又能提高極片孔徑均勻分布，從而能夠有效提高電池的整體性能。對(duì)于正極，由于反彈程度不大，二次輥壓效果不顯著，多數(shù)企業(yè)采用一次輥壓，對(duì)于石墨負(fù)極，由于輥壓后反彈較大，采用二次輥壓能有效提高輥壓效果，增強(qiáng)電池性能。

3.2 加強(qiáng)對(duì)輥壓設(shè)備的護(hù)理

輥壓機(jī)在工作過程中損耗較大，輥面容易磨損，長(zhǎng)期使用會(huì)使軋輥表面凹凸不平，影響輥壓后極片厚度均勻性，定期對(duì)軋輥進(jìn)行打磨和矯正能有效提高輥壓效果。在輥壓過程中，軋輥長(zhǎng)期工作易導(dǎo)致輥壓機(jī)溫度升高，因此考慮在輥壓機(jī)上安裝風(fēng)扇或者適當(dāng)停機(jī)休息。

3.3 完善輥壓工藝操作

在輥壓生產(chǎn)工藝中，工作前需要使用丙酮溶液對(duì)軋輥進(jìn)行全面擦拭，以減少雜物帶入，對(duì)極片造成污染。在輥壓工作時(shí)，使用丙酮溶液定時(shí)對(duì)軋輥進(jìn)行擦拭，防止極片粘輥和麻點(diǎn)產(chǎn)生。定時(shí)測(cè)量輥壓厚度，適當(dāng)加大采樣點(diǎn)數(shù)和范圍，及時(shí)調(diào)整輥縫和壓力，將厚度控制在工藝范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

鋰離子電池輥壓工藝在整個(gè)生產(chǎn)工藝中起著至關(guān)重要的作用，對(duì)后續(xù)工藝生產(chǎn)流程有一定影響，特別對(duì)分條、制片、封裝和注液化成影響較大；控制好合適工藝的壓實(shí)密度和極片的反彈比例，增強(qiáng)極片的柔韌性是后續(xù)工藝順利進(jìn)行的前提保障。將正負(fù)極片進(jìn)行輥壓不但能使電芯尺寸工藝控制在工藝范圍，還能降低電池內(nèi)阻，提高電池能量密度和安全性能。