復合銅箔膜面張緊展平結構設計

李建中

（昆山東威科技股份有限公司，江蘇 昆山 215300）

0 引言

銅箔是鋰電池負極材料的載體和集流體。據測算，銅箔約占動力電池成本的11%，預計截至2025年，銅箔總需求將達到109 萬噸。隨著鋰電池向高能量密度、高安全性方向發(fā)展，鋰電銅箔朝著更薄、微孔、高抗拉強度和高延伸率的方向發(fā)展。超薄復合銅箔順應鋰電行業(yè)發(fā)展趨勢，是具有潛力的新型鋰電負極集流體材料。復合銅箔在鍍層增厚過程中采用水電鍍方式，但由于自身內部應力、搬運輥加工安裝誤差等原因，在生產中復合銅箔常出現膜面松弛、向膜面中間收縮的現象，造成膜面起皺，因此膜面的張緊展平設計至關重要。

1 復合銅箔膜面張緊展平工作原理

1.1 張緊原理

為了使復合銅箔在生產搬運過程中保持張緊展平狀態(tài)，需要在此過程中將其分段，以增加其外部張力。

1.2 展平原理

針對膜面起皺問題，采用展平輥展平膜面。不同展平輥的結構不同，但展平原理基本相同，通過展平輥上左右對稱的螺紋結構、中間大兩端小結構和整軸中間彎曲弓形結構對膜面施加與中心軸成一定角度傾斜力，對復合銅箔膜面產生橫向擴展力。

2 復合銅箔膜面張緊展平設計難點

復合銅箔具有厚度薄和寬幅大的特點，因此在生產過程中如何保證膜面處于張緊展平狀態(tài)，同時又不引起復合銅箔張力變形和膜面開裂斷膜，需要配合使用多種設計方式進行設計創(chuàng)新。

2.1 膜面松弛問題

復合銅箔生產過程中發(fā)生膜面松弛，主要有以下2 個原因：① 銅箔生產搬運距離長，膜面外部張力與向膜面中間收縮力相互抵消；② 復合銅箔在搬運過程中與搬運輥摩擦，抵消部分外部張力。

2.2 膜面內起皺問題

在復合銅箔生產過程中，由于內應力和搬運輥加工安裝誤差，常出現膜面向中間收縮的情況，造成膜面起皺。

2.3 斷膜問題

復合銅箔生產過程中張力過大，引起膜線開裂斷膜。

3 復合銅箔張緊展平設計

為保證復合銅箔電鍍均勻、膜面清洗徹底、抗氧化保護層均勻，以及烘干徹底無殘留水漬，需要對復合銅箔生產過程中張緊展平進行創(chuàng)新設計，以保證復合銅箔在整個生產過程中處于張緊展平狀態(tài)。

3.1 張緊結構設計

結合復合銅箔材料性質和水平傳動特點，采用分段調速原理，通過設置各段傳動速度差，分段增加復合銅箔外部張力，保證其在各個傳送段處于張緊狀態(tài)。具體結構如圖1所示。

圖1 復合銅箔傳送系統(tǒng)結構示意

在結構上，每個傳送段均采用獨立傳送系統(tǒng)，速度可無級調速。復合銅箔從放板機傳送進入傳動段1，經過傳送段1 進入張力檢測段，張力檢測段張力檢測輥（輥③）檢測復合銅箔張力。比對實測張力與預設張力，判斷傳送段1 內復合銅箔處于松弛或張緊狀態(tài)，根據結果調整傳送段2 的傳動速度，使傳送段1 內復合銅箔既處于張緊狀態(tài)，又不會拉扯變形，確保復合銅箔傳送處于平整狀態(tài)。

通過調整各個傳送段速度，保證復合銅箔在各傳送段之間張緊，將復合銅箔傳送路徑設定大小S 型結構，增加復合銅箔外部張力，保證各個傳送段內部復合銅箔處于張緊狀態(tài)。具體原理如圖2所示

圖2 傳送輥高低落差結構示意

由于各個傳送輥存在高低落差，使得復合銅箔在傳送段內部形成多個大小S 型，通過各個大小S 型對復合銅箔施加外部張力，確保其在各個傳送段內部保持張力充足狀態(tài)，復合銅箔傳送處于平整狀態(tài)。

3.2 展平結構設計

針對膜面起皺問題，需要通過展平結構解決。在展平結構中，展平輥的應用最廣，且效果最好。常用的展平輥大致可以分為4 類：左右螺紋展平輥、鼓形展平輥、邊緣展平輥和弓形展平輥。經過反復測試，確定復合銅箔生產采用弓形展平輥、邊緣展平輥和鼓形展平輥。弓形展平輥外管彎曲如香蕉，內含弓形心軸，心軸上安裝有多個規(guī)格相同、間距相等和結構軸向對稱的滾動軸承。將軸承安裝在螺旋滾道內，通過螺旋彈片隔開，軸承外包裹橡膠。心軸兩端采用球面軸承固定。工作時心軸固定不動，利用傳動皮帶驅動使橡膠外套旋轉，并與薄膜的橫向傾斜接觸，通過扭轉心軸調整傾斜角度。弓形展平輥展平力大，調整方便，弓形量可達0～30 mm。復合銅箔在輥面包角為30°～90°可調整。其結構如圖3所示。

圖3 弓形展平輥結構示意

邊緣展平輥主要作用于復合銅箔的兩個邊緣，兩個邊緣各安裝1 組，每組采用2 個直徑50 mm、長100 mm 的軟膠輥，一支輥與銅箔上膜面接觸，另一支輥與下膜面接觸。2個輥的軸線平行，與薄膜運行的垂直方向保持一定夾角（夾角在一定范圍內可調節(jié)）。工作時2 個軟膠輥通過氣缸伸縮靠在一起，輥被膜帶動旋轉，通過摩擦力對膜面產生2 個向復合銅箔外側橫向擴展的張緊力，實現展平效果。其結構如圖4所示。

圖4 2個邊緣展平輥

鼓形展平輥中間大兩端小，整個輥面成鼓形，該結構對復合銅箔產生2個向復合銅箔外側橫向擴展的張緊力。雖輥面鼓形不變，張力大小不可調整，適應性差，但結構簡單且成本低，在對展平不需要調整的工況下被大量應用。其結構如圖5所示。

圖5 鼓形展平輥

在生產過程中，在復合銅箔從放板機出、進入傳送段1前，設置1組弓形展平，通過調節(jié)弓形展平輥拱高保證進入傳送段1 的復合銅箔處于張緊展平狀態(tài)。在傳送段內，各個傳送輥均采用鼓形展平輥結構，各個鼓形輥處對復合銅箔施加橫向擴展力，保證其處于張緊展平狀態(tài)。同時傳送出最后1段傳送段后，在復合銅箔兩側各設置1組邊緣展平輥，通過調整邊緣展平輥相對復合銅箔傳送方向角度，確保復合銅箔處于張緊展平狀態(tài)。其結構原理如圖6所示。

圖6 復合銅箔傳送過程中展平調整示意

4 張緊展平效果

在生產過程中，復合銅箔采用張緊展平設計結構，明顯改善了復合銅箔膜面松弛、起皺的問題。采用張緊展平結構前后，復合銅箔膜面松弛起皺問題比對見表1。

表1 復合銅箔膜面松弛起皺參數

5 結語

隨著復合銅箔的在儲能電池和動力電池上的大規(guī)模應用，復合銅箔的大批量生產成為必然趨勢。在生產過程中，張緊展平問題成為首要解決問題。通過各傳動段采用獨立傳動分段調速，各個傳動段走膜路徑設計成大小S 型結構，各個傳動段采用弓形展平輥、邊緣展平輥、鼓形展平輥等張緊展平結構。實現了復合銅箔在生產過程張緊展平功能，確保了復合銅箔電鍍后鍍層均勻性一致、膜面清洗徹底無殘留、抗氧化涂層涂覆均勻，烘干徹底無殘留水漬、無色差。為復合銅箔大批量、高效率、綠色生產提供了張緊、平整、無皺褶鍍膜，使電鍍后復合銅箔良率保持85%以上。