浅析锂电池隔膜双向拉伸线配方喂料方式

程志辉

（铜陵晶能电子股份有限公司，铜陵 244000）

0 引言

带有微孔的隔膜材料是锂电池组成结构中最核心的部分之一，隔膜产品性能的好坏直接影响电池成品的品质、放电容量以及循环使用寿命等关键技术指标。在电池使用过程中，隔膜主要对电池正负极进行隔离，防止两极间形成直接的电子通路，同时隔膜上的微孔又允许电解液环境中的离子自由通过[1]。

干法双向拉伸聚丙烯隔膜具有耐高温性、安全性能好，而被认为是锂电池材料未来的主要发展方向之一，而锂电池隔膜行业中产品性能的均匀一致性是决定隔膜质量的关键所在。在锂电池隔膜的生产过程中，原料是由聚丙烯（PP）基料和极少量的多种β成核剂、扩散剂等添加剂混合而成，添加剂直接影响着锂电池隔膜微孔的形成，母料与添加剂的均匀混合决定了隔膜微孔数量分布和孔径大小的均匀一致性，如何使其均匀分布在原料PP中，这也成为生产出高品质隔膜的关键之一。

1 配料方案设计

1.1 传统配料方式及弊端

国内现有的干法双向拉伸锂电池隔膜生产线，为保证聚丙烯（PP）基料和添加剂混合均匀，传统做法是二次或多次造粒；即将母料和多种添加剂按照一定比例混合搅拌后送入双螺杆挤出机高温熔融挤出，重新生产出含添加剂的聚丙烯（PP）基料，以保证多次造粒后，母料和添加剂的均匀混合。造粒后的聚丙烯（PP）粒料经烘干后喂入主线单螺杆挤出机，熔融、塑化挤出。但此方法存在一些弊端：1）多次造粒会造成原料熔融指数的升高和波动，分子链结构遭到破坏，降低材料的机械和力学性能，使得隔膜在穿刺强度、拉伸强度等性能指标降低，隔膜的品质受到影响；2）在高温作用下会使物料产生降解物，从而影响产品的成膜性和理化性能；同时增加灰分含量，使得隔膜表面不可避免的产生晶点和鱼眼等瑕疵，直接影响隔膜的使用性；3）二次造粒需要造粒设备、能源消耗，同时也增加了生产成本和环节控制成本，对隔膜产品的稳定性和一致性有着不可避免的影响。

1.2 改进的配方喂料系统结构

整个喂料系统大体可分为三个部分：上料部分、混配料部分、下料部分。

上料部分：上料部分由真空泵、输送料管道、储料仓等部分组成。真空泵工作时会在输送料管道内产生足够的负压，依靠管道内外的压差把原料吸进对应的储料仓内，每一个料仓吸料的顺序会有优先级区分，一般用量比较大的主料（基料）优先级最高，辅料（添加剂）次之。主料吸满后，再切换到辅料1，辅料1吸满后，再切换到辅料2，依次循环。如果低优先级的原料正在吸料时，高优先级的原料提示缺料，则低优先级的原料停止吸料，同时立即切换到高优先级的原料进行吸料。吸料时间可根据工艺要求任意设置。真空泵配备为两台，一备一用，如果运行过程中，正在使用的真空泵突然出现故障，可立即切换到备用泵，不影响生产的正常有序进行。

混配料部分：为解决现有锂电池隔膜生产过程中二次造粒的问题。本企业采用不同的喂料系统方式：喂料系统包括存储料仓、连接料管、失重称、特制料仓等。当多种粒料配比差异较大时，直接混合是无法保证混合均匀的。为保证下料比例的均匀一致性，就要采用高精度的失重称和特制料仓；料仓内径仅稍大于挤出机的进料口，内部设置有静态混料装置，并设置有高、低料位装置，各与失重称、挤出机联动；特制料仓中低料位是料仓的安全报警装置，当料位低于此料位时，会发出报警，如不及时处理，将在规定的时间内停止挤出系统的运行；高料位与失重称相联，控制失重称的启停，保证料仓料位的恒定。生产时，粒料通过失重称精确配比，进入特制料仓，经静态混料装置，均匀混合层叠于料仓中，保证挤出机进料配比、压力的恒定；进入挤出机均匀一致的混合后保证熔体质量。此喂料结构可按原料配方要求来设置多种粒子混合。

图1 失重称混合配料示意图

下料部分：料仓内设置有高、低料位装置，各与失重称、挤出机联动；特制料仓中低料位是料仓的安全报警装置，当料位低于此料位时，会发出报警，如不及时处理，将在规定的时间内停止挤出系统的运行；高料位与失重称相联，控制失重称的启停，保证料仓料位的恒定。失重称的下料量及下料占比可根据工艺的变化通过通讯从上位机进行给定，下料量也可通过失重称自带的操作屏输入。

1.3 可靠性与先进性

此方案无二次造粒；即保证了原料配方一致性，又保证了混料的均匀性，减少了原料熔融指数的变化，提高了产品性能，避免了常规工艺生产中原料经过二次造粒会造成原料的熔融指数的升高和波动（由原来的3g/10min变为4～5g/10min）；有效减少二次再造粒带来的杂质和降解物，提升产品的成膜性和理化性能，提高隔膜膜面质量；节省二次再造粒的设备和环节控制成本，减少了隔膜批次性的质量波动。

如果生产线采用双螺杆挤出机，此技术方案可能更合适，当然设计中更需注意以下两个方面：

1）失重称的精度：由于添加剂和母料的比例差异较大，在非堆积式进料方式下，应采用更高精度的失重称以保证进料计量的准确性，保证各类粒子能够按照配方比例连续、准确进入挤出机，才能提高混料的均匀性，从而提高隔膜品质。

2）双螺杆挤出机螺杆设计：应采用合理的螺杆设计组合，以保证物料进入的连续性和混合的均匀性；减少熔体的温升和熔体回流，保证出口压力的稳定。

在控制好以上两方面关键环节后，与单螺杆挤出机相比，采用双螺杆挤出机可能具有更好的混料效果和均匀一致性，对隔膜质量有着显著的提高。

2 结束语

带有失重称的干法双向拉伸锂电池隔膜生产线配方喂料方式的应用，很好的提高了挤出机压力控制的稳定性，使隔膜成孔更加均匀，从而提高了产品的品质，经济效益也得以提高；但在实际生产中还有许多环节和因素对隔膜的质量有着至关重要的影响，需要我们观察、分析去发现和调整。做好隔膜就是要做好细节；不断改进是提升隔膜质量的关键，也是永恒的课题。

[1] 汤人望,李红祝,王虹,于调娟,李荣年.聚丙烯纤维在电池隔膜材料生产上的应用[J].产业用纺织品,2007.196:24-26.