锂电池极片辊压技术探讨

2020-07-10付春慧高荣良李青松

科学与财富 2020年11期

付春慧高荣良李青松

摘要：锂离子电池生产工序中，辊压是极片最常用的压实工艺，相对于其他工艺过程，辊压对极片孔洞结构的改变巨大，且会影响导电剂在极片敷料区的分布状态，从而影响电池的电化学性能。通过总结锂电池极片辊压技术、制造过程中辊压设备的注意事项，进而探讨辊压调试过程中各类问题解决方案。

关键词：锂电池;辊压机;极片;压实密度;挠曲变形;调试

一、引言

锂离子电池作为目前应用最为广泛、商业化程度最高的二次电源，广泛用于汽车行业、储能行业、军工行业等。锂离子电池的主要生产工序包括：配料、涂布、辊压、分切、卷绕/叠片、组装、注液、化成、分容等。

极片的厚度一致性对动力锂离子电池组的容量、循环寿命和安全性等有重要的影响[1]，而为实现极片厚度一致性，需对辊压工序进行深入的研究。

极片辊压改善电极中颗粒之间的接触，及电极涂层和集流体之间的接触面积，降低了不可逆容量损失、接触内阻和交流阻抗;另一方面，辊压导致的极片压实太高，也会导致孔隙率损失，孔隙的迂曲度增加，活性物质颗粒表面粘合剂被挤压，限制了电解液的扩散和锂离子的嵌入/脱嵌，电池的倍率性能下降，因此辊压工艺对锂离子电池的电性能起到关键影响。

辊压对电池电性能的影响主要有以下几点：

a、对电池能量密度的影响：根据法拉第定律，电池电极电量与活性物质的质量成正比。极片的辊压决定了极片的压实密度，直接影响了电池内部单位体积活性物质的含量，从而影响电池能量密度。

b、对电池循环寿命的影响：极片辊压可影响活性物质在集流体上的附着力，而附着力直接决定了活性物质在电池充放电过程中的分离与脱落，活性物质从集流体上分离和脱落导致电池的循环寿命的衰减。

c、对电池内阻的影响：极片的压实密度影响极片内部孔隙分布，从而影响极片中电解液的浸润效果和电子传导效果，因此影响着电池的內阻。

d、对电池安全性能的影响：极片压实密度的均匀性、表面粗糙度与电池负极析锂、正极析铜、尖角放电等有较大关系，进而影响电池的安全性能。

辊压机主要用于电池极片轧制生产，采用闭式高强度高刚性机架，两辊上下布局，水平辊压，轧机专用四列圆柱辊子轴承（P5级精度），伺服电机辊缝精确调整，变频电机驱动轧辊运转，气液增压泵施压，压力传感器监控系统压力变化。辊压机具有结构强度高，调节精度高，辊压精度高，操作方便等，整机设计需要合理、简捷、美观，融可靠性、实用性与高效性于一体。

二、辊压设备的基本功能

辊压压力调整及快速反应功能：辊压机轧辊间的压力是调节电池极片压实密度的必要条件，由于涂布间隙、单双面交错等因素的影响，轧辊间的压力调整须在极短时间内进行快速反应。

轧辊间隙调整及准确复位功能：辊压机两轧辊间的间隙是调节电池极片厚度的必要条件。由于极片涂布方式变化及极片连续生产的需要，两轧辊间的间隙须快速调整并可准确复位。

辊压张力调整与快速反应功能：极片辊压过程中通过调节前后张力控制极片的板型平整度。辊压过程中辊压线速度经常发生瞬间突变，张力控制快速反应是防止断带的重要手段。

轧辊无级调速与线速度同步功能：辊压机在启停过程中或根据工艺需要对两只轧辊进行无级变速，同时确保两只轧辊的线速度一致。

辊压温度调整功能：辊压机启动过程中温度可直接影响塑性变形量。

辊压变形的矫正功能：极片辊压的温度影响两只轧辊的轴向挠曲变形和径向鼓胀变形，轧辊的变形则直接影响电池极片的厚度均匀性和压实密度均匀性。

辊压机的智能控制功能：随着极片辊压速度及自动化程度的不断提升，自动上下料、自动接带、自动加压、自动调隙、在线监测等都要求进行闭环控制甚至智能控制。

轧辊的清洁及维护保养：辊压过程中两只轧辊表面经常发生粘粉，保持辊面清洁可减少轧辊磨损，同时可提高电池极片表面质量，因此对辊压机进行定期清洁、维护保养非常必要。

三、辊压设备的关键技术

电池极片轧辊的抗磨损技术：极片辊压基本上属于粉末轧制，轧辊的主要失效形式是磨粒磨损和镶嵌磨损。提高抗磨粒磨损主要利用合金材料耐磨性能和抗疲劳强度;抗镶嵌磨损主要从硬度均性和抗疲劳点蚀出发;轧辊磨损不仅影响生产效率、生产成本，也影响电池自放电率甚至安全性。

电池极片轧辊变形矫正技术：极片辊压过程中两轧辊存在轴向挠曲变形和径向鼓胀变形 [2]。极片厚度一致性对锂离子电池容量、循环寿命和安全性能有重要影响。轴向挠曲变形矫正主要通过外力反变形矫正、轧辊形状矫正、轧辊结构矫正;径向鼓胀变形矫正主要通过轧辊受热均匀和冷却均匀技术。

电池极片轧辊闭环调压及快速响应技术：由于电池极片涂布工艺的技术要求，辊压常遇到极片横向间歇涂布、单双面交错涂布，为达到活性物质压实密度的均匀性，须应用轧辊压力闭环控制及快速响应技术。

电池极片辊压张力闭环控制技术：通过控制极片辊压过程的前后张力大小、支点、辊压包角等，来达到控制极片的平整性、内应力均匀分布、延展率及断带率的目的。

电池极片辊压精度及抗变形技术：电池极片压实密度的均匀性对防止枝晶以及尖角放电发生起到关键作用。可通过控制轧辊的尺寸、形状、位置精度及表面粗糙度来提高电池极片轧辊抗变能力，保证极片辊压厚度的一致性。除了轧辊关键技术外，电池极片辊压设备的结构、零部件加工与选购、整机装配技术、电控系统也是影响因素。

电池极片辊压环境的控制技术：极片辊压环境主要指环境湿度和洁净度，这是极易被忽视的重要问题。三元材料、钛酸锂材料的吸水性能非常好，吸水后材料表面碱性增大，加速电池性能恶化;粉尘则对电池自放电率影响较大。

四、辊压设备的设计与制造

电池极片辊压设备经历了代用品、通用品、专用品的发展阶段，目前正进入服务品发展的初期，特点是解决问题成为主要目的。为了系统性分析所要解决的问题，须重视技术的使用。

由于目前电池极片涂布主要是模向间歇、单双面交错、连续、纵向间隙等方式，正负极片可能拥有不同的面密度，不同晶体结构材料、不同尺寸幅宽等，因此辊压设备需要有针对性的设计开发。

a、轧辊的设计与制造：包括轧辊材质、结构、辊面粗糙度的设计检测、冶炼方式、热处理方式等。

b、动力传输方式的设计与制造：双电机减速路直驱方式、单电机减速器加齿轮箱分轴驱动。

c、间隙结构的设计与制造：设计轴承间隙及轧辊辊轴向反挠曲变形的实现方式与制造工艺。

d、调隙方式的设计与刺造：调隙方式斜铁调隙、蜗轮蜗杆调隙的选择。

e、加压及快速响应的设计与制造：目前常见辊压设备加压方式：涡轮蜗杆加压、液压缸加压、气液增压快速反应、弹簧快速反应。

f、张力控制系统的设计与制造：磁粉离合器、磁粉制动器，伺服电机、传感器等张力闭环控制系统，张力支撑点及辊压包角的设计与制造。

g、在线监测系统的设计与制造：为应对电池极片的生产品质和效率不断提高的要求，对于在线监测极片厚度均匀性、露箔、气孔、掉粉等缺陷的需求相应提高。如触点激光检测、放射线检测等。

h、切边、除尘、清洁系统的设计与制造：极片辊压后切边、刷分、除尘、辊面清洁结构设计及制造。

i、收放卷系统的设计与制造：为提高效率，自动上下卷料备受重视，包括实现机构与控制、自动断带、接带的设计与制造。

j、环境温湿度与洁净度控制系统的设计与制造：极片辊压环境控制在电池制造过程中尚未引起高度重视，环境控制一致性存在难保证、难提高的问题，因此控制环境小型化封闭化势在必行。

五、辊压过程控制

1、电池极片辊压的基本原理

电池极片辊压属于粉末轧制，其目的是提高电池极片活性物质的压实密度及均匀性，提高活性物质的附着力，降低表面粗糙度。

a、垂直压实与纵向延展：在辊压过程中，两轧辊对极片的压力实际上是垂直压力和水平压力的协同作用，其大小取决于极片活性物质的压缩量大小和轧辊咬入角。在极片活性物质压缩量一定的前提下，垂直压力和水平压力的大小取决于两只轧辊的咬入角，咬入角大则水平压力大，咬入角小则重直压力大。而压实密度取决于垂直压力大小，纵向压伸率取决于水平压力大小。

b、极片压实密度均匀性与表面粗糙度：在极片涂布厚度均一的条件下，电池极片压实密度均匀性取决于两轧辊间接触母线的平行度。轧辊间的平行度的影响因素主要包括轧辊同轴度、辊身圆柱度，轴承精度、设备刚性稳定性，轧辊两端缝隙调整等;而极片辊压表面粗糙度取决于活性物质的颗粒大小和轧辊表面的粗糙度。

c、集流体延伸与活性物质颗粒滑移：铝箱或铜箔集流体在大辊径扎辊辊压设备上辊压时很难延展，但粘贴在集流体上的活性物质会在水平压力的准动下发生位移，进而带动电池极片集流体延伸，延伸率影响了极片的平整性和导电性。

d、电池极片局部延伸压缩与内应力不均：极片涂布厚度若存在误差，两轧辊接触母钱平行度也存在误差。因此电池极片上活性物质在局部的压实密度不均匀，存在局部延展与周边压缩，造成了极片内应力不均，进而影响了电池极片板型的平整度。

e、极片压实密度、延伸率与辊径：两轧辊咬入角大小决定极片的压实密度和延伸率，而轧辊本身直径的大小直接决定了咬入角大小。辊径大则咬入角小，辊径小则咬入角大。

f、极片辊压厚度反弹：辊压速度慢会减小极片活性物质的弹性变形量，降低辊压后的厚度反弹。如果辊压速度提高到一定数值时，极片辊压后的厚度反弹反而变小，可能是受环境湿度影响。极片中活性物质的吸水量不仅影响活性物质的表面碱性，也影响厚度反弹量。

g、极片辊压内应力与张力控制：极片辊压是压缩变形与延展变形的过程，该过程中进口张力影响极片的内应力分布，出口张力影响极片的板型平整度。

h、热压与极片的变形抗力：一般物质变形抗力都会随温度升高而变小，塑性变形量也会随之增大。热压利于减少轧辊表面磨损。

六、辊压常见问题与解决

1、极片厚度不均匀

引起极片辊压厚度不均的因素很多，如涂布厚度不均匀、轧辊同轴度误差、轧辊圆柱度误差、轧辊接触母线不平行、轧辊轴向挠曲变形、辊压设备的刚性稳定性差等。这些问题均是来料及或设备本身的问题，因此调整困难。

2、极片出现镰刀弯

镰刀弯主要是由两轧辊接触母线不平行或极片涂布横向厚度不均造成。