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昆明鋰電池帶你詳解鋰電池極片輥壓工序

來源:www.panjin8.com 發布時間:2019年07月30日

昆明鋰電池:極片在涂布、干燥完成后,活物質與集流體箔片的剝離強度很低,需要對其進行輥壓,以增強活物質與箔片的粘接強度,以防在電解液浸泡、電池使用過程中剝落。同時,極片輥壓可以壓縮電芯體積,提高電芯能量密度,降低極片內部活物質、導電劑、粘結劑之間的孔隙率,降低電池的電阻提高電池性能。

昆明鋰電池

一、輥壓機介紹

為了提高電池極片表面材料的密度及厚度的一致性,正負極片在涂布工序之后須進行滾壓,此工序稱為電池極片的輥壓。目前國內外鋰離子電池廠家均使用二輥輥壓機輥壓極片,雙輥壓機是由兩個鑄鋼壓實輥以及電機和傳動軸組成。主流機型輥徑為500 mm,輥身長度為500 mm~700 mm,輥壓出的極片沿寬度方向的厚度一致性較差。為保證厚度一致性的精度要求,軋輥長度與直徑比值往往較小,最終導致極片輥壓寬度較窄。

而在銅箔、鋁箔等箔材制造領域,箔材絕大多數由四輥輥壓機輥壓制造,表面精度能達到幾微米的同時,輥壓寬度能達到1 m 以上。但是當前還沒有四輥輥壓機在極片輥壓中應用的先例?(如果有,歡迎給我們留言補充)

完整的輥壓過程是將涂布完成的極片,固定于放卷機構后,將極片正確穿過雙輥間隙,并連接收卷系統。開啟輥壓模式后,電機帶動上下輥同時轉動,收卷機構拉動極片將穩步穿過輥壓間隙,最終被壓到所需壓實密度。輥壓機在非工作狀態時需要涂一層薄油層,以防其生銹,在使用前用無水乙醇將油層擦干凈,并清理收放卷機構、自動糾偏機構。因此,一個優秀的輥壓機必須包含以下八大功能模塊:

軋輥壓力調整及快速反應功能:滾壓機兩只軋輥之間的壓力調整是提高電池極片活性物質壓實密度的必要條件,由于涂布間歇、單雙面交錯等因素影響,兩輥之間的壓力調整必須快速反應。

軋輥間隙調整及準確復位功能:滾壓機兩只軋輥之間的間隙調整是獲得電池極片厚度的必要條件。由于極片涂布方式變化及極片接帶的需要,兩只軋輥之間的間隙快速調整后需要準確復位。

向日葵视频色版app 極片滾壓前后張力調整與與快速反應功能:電池極片滾壓過程中調整前后張力可以控制電池極片的板型平整度。滾壓過程中滾壓線速度經常發生瞬間突變,張力控制快速反應是防止斷帶的重要手段。

軋輥無級調速與線速度同步功能:電池極片滾壓機在啟停過程中或根據工藝需要必須對兩只軋輥進行無級變速,同時確保兩只軋輥的線速度一致。

向日葵视频色版app 極片滾壓溫度調整功能:調整電池極片滾壓溫度可以直接影響滾壓過程中的電池極片的變形抗力和塑性變形量。

軋輥變形的矯正功能:電池極片滾壓過程或溫度調整過程中,兩只軋輥必然存在軸向撓曲變形和徑向鼓脹變形,矯正軋輥變形直接影響電池極片的厚度均勻性和壓實密度均勻性。

向日葵视频色版app 極片滾壓過程的智能控制功能:隨著極片滾壓速度以及自動化程度的不斷提升,自動上下料、自動接帶、自動加壓、自動調隙、在線監測等都要求閉環控制甚至智能控制。

向日葵视频色版app 軋輥清潔及維護保養功能:電池極片滾壓過程中兩只軋輥表面粘粉是常有的事,保持輥面清潔既可以減少軋輥磨損,還可以提高電池極片表面質量。滾壓機便于維護保養也是非常必要的功能。

實驗室通常使用實驗手動螺旋加壓式極片軋機,通過設定輥縫值使軋輥在極片上加載壓力,沒有額外的 加壓裝置。因此,一般實際壓力比較小,輥壓極片壓實密度受到限制,而且一般最大輥縫受機械裝置限制,一般不能輥壓太厚的極片。

另外,極片軋制分為冷軋和熱軋兩種方式,目前國外已經廣泛采用熱軋的方式進行極片軋制,而國內還是多采用冷軋的方式,相比冷軋,熱軋有以下優勢:

(1)去除極片的里面的水分; 減少極片的內應力,因為在分切或模切時,減少極片的內應力的釋放影響的不良

(2)減少極片的在軋制后的材料反彈;降低電池極片的變形抗力,有利于提高活性物質的吸液量。

(3)由于極片在加熱過程中材料處于熔融狀態:熱軋可以增加活性物質與流體之間的粘合力少電池在充放電循環過程中掉粉情況的發生,提高電池的循環壽命

在軋制規程方面:可分為一次軋制和多次軋制。多次軋制工藝相對復雜,但可減少極片的反彈,極片光澤度好,厚度一致性高。

向日葵视频色版app 二、輥壓目的

極片的壓實密度對電池的電化學性能有重要影響。在一定范圍內,隨著壓實密度增加,活性物質粒子間距減小,接觸面積增大,利于離子導電的通路和橋梁增多,在宏觀方面表現為電池內部電阻降低。但若極片的壓實密度太大,活性物質粒子之間接觸程度太緊密,電子導電率增加。但鋰離子通道減少或者堵塞,不利于容量的發揮,進行放電時,極化增加,電壓降低,容量下降。壓實密度太小時,粒子間距大,鋰離子移動通道通暢,電解液吸液能力較強,利于電池內部的鋰離子移動,但由于粒子間接觸程度不夠緊密,不利于電子進行導電,在進行放電時,易導致極化增加。

向日葵视频色版app 輥壓的必要性:極片在涂布、干燥完成后,活物質與集流體箔片的剝離強度很低,此時需要對其進行輥壓,增強活物質與箔片的粘接強度,以防在電解液浸泡、電池使用過程中剝落。

向日葵视频色版app 軋制的目的有以下幾點:

向日葵视频色版app 1)保證極片表面光滑和平整,防止涂層表面的毛刺刺穿隔膜引發短路;

2)對極片涂層材料進行壓實,降低極片的體積,以提高電池的能量密度;

向日葵视频色版app 3)使活性物質、導電劑顆粒接觸更加緊密,提高電子導電率;

4)增強涂層材料與集流體的結合強度,減少電池極片在循環過程中掉粉情況的發生,提高電池的循環壽命和安全性能。

三、極片輥壓過程與控制

1.輥壓過程

電池極片軋制的過程是電池極片由軋輥與電池極片間產生的摩擦力拉進旋轉的軋輥之間,電池極片受壓變形的過程。電池極片的軋制不同于鋼塊的軋制,軋鋼的過程是一個鐵分子沿縱向延伸和橫向寬展的過程,其密度在軋制過程中不發生變化;而電池極片的軋制是一個正負極板上電池材料壓實的過程。電池極片實施滾壓時,軋制力不宜過大也不宜過小,應符合電池極片材料的特征。

向日葵视频色版app I區域為第一階段:此階段中當軋制力剛開始逐漸增加時,極片的密度便迅速增大,這是因為這一階段中,電極材料顆粒產生位移,孔隙結構被填充,第一階段一般也被稱為滑動階段。這一階段是三個階段中極片密度增加速率最快的階段。

II 區域為第二階段:由于第一階段中電極材料孔隙結構被填充,極片涂層材料的密度已經達到定值,在第二階段中進行極片軋制時出現了一定的壓縮變形阻力。與第一階段相比,該階段雖然軋制力繼續增大,但極片的密度增加速率已經降低。從微觀上來看,這是因為該階段內極片涂層材料顆粒的位移已經很小,但是涂層材料顆粒的大位移移動還沒有開始。

III 區域分為第三階段:當軋制力超過一定大小后,電池極片的密度又開始隨著軋制力的增加而增加,然后增加的速率逐漸降低。這是因為當軋制力超過某個值時極片涂層材料顆粒的位移又逐漸開始,極片的密度又開始增加。當軋制力增加到一定值時,由于極片涂層材料變形較為劇烈,造成加工硬化,如果此時繼續增加軋制力,極片涂層材料發生進一步變形已經較為困難。因此,最后隨著軋制力的繼續增加,極片的密度增加不大,增加幅度也降低下來。

向日葵视频色版app 2、輥壓控制

電池極片軋制的基本機理:電池極片滾壓屬于粉末軋制,其目的是提高電池極片活性物質的壓實密度及其均勻性,提高活性物質的附著力,提高表面粗糙度。軋制過程遵從重量不變定律。

垂直壓實與縱向延展:在軋制過程中,兩只軋輥對電池極片的壓力實際上是垂直壓力和水平壓力的合力,其大小取決于極片活性物質的壓縮量大小和軋輥咬入角。在極片活性物質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,咬入角小則垂直壓力大。壓實密度取決于垂直壓力大小,縱向延伸率取決于水平壓力大小。

極片壓實密度均勻性與表面粗糙度:假設極片涂布厚度是均勻的,則電池極片壓實密度均勻性取決于兩只軋輥之間接觸母線的平行度,其影響因素主要是軋輥同軸度、輥身圓柱度、軸承精度、設備剛性穩定性、軋輥兩端的縫隙調整等極片滾壓表面的粗糙度取決于活性物質顆粒大小和軋輥表面的粗糙度。

向日葵视频色版app 集流體延伸與活性物質顆粒滑移:鋁箔或銅箔集流體在大輥徑軋輥滾壓設備上滾壓時很難延展,但是集流體上粘結的活性物質在水平壓力的推動下會發生滑移,進而帶動電池極片集流體延伸,延伸率影響了極片的平整性和導電性。

電池極片局部延伸壓縮與內應力不均:電池極片涂布經涂布厚度存在誤差,兩只軋輥接觸母線平行度也存在誤差。為此電池極片上的活性物質局部壓實密度并不均勻,局部延展與周邊壓縮并存造成了極片內應力不均勻,進而影響了電池極片板型的平整度。

向日葵视频色版app 極片壓實密度、延伸率與輥頸:兩只軋輥咬入角大小直接影響了極片活性物質的壓實密度和延伸率,而軋輥輥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。

極片滾壓厚度反彈與滾壓速度和環境濕度:滾壓速度慢會減小極片活性物質的彈性變形量,也就是滾壓后的厚度反彈量會變小。然而事實是當滾壓速度提高到一定數值時,極片滾壓后的厚度反彈量反而變小,這是因為環境濕度造成的。活性物質吸水量不僅影響了活性物質的表面堿性,也影響了厚度反彈量。

極片滾壓內應力不均勻與張力控制:極片滾壓的過程就是壓縮變形與延展變形的過程,此過程中進口張力影響極片的內應力分布,出口張力影響極片的板型平整度。

向日葵视频色版app 熱滾壓與極片的變形抗力:一般說來,物質變形抗力都會隨著溫度升高而變小,塑性變形量也會隨之增大。極片熱滾壓還有利于減少軋輥表面磨損。但就極片冷熱滾壓的比較一直沒有明顯效果,足見極片滾壓影響因素的復雜性。

向日葵视频色版app 四、輥壓過程中存在的問題及解決辦法

向日葵视频色版app 極片厚度不均勻:引起極片滾壓厚度不均勻的因素很多,如極片涂布厚度不均勻、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、輥壓設備的剛性穩定性差等等。橫向厚度不均勻,在極片輥壓過程中,常出現測量左右極片厚度不一致的情況。當極片左右厚度不一致時,需首先排除極片涂布過程中的影響,當測試未輥壓的極片左右厚度一致時,則需要對輥壓壓力進行左右調節,以保證極片輥壓后左右壓實密度一致。在輥壓過程中要定時對極片進行測試,以防輥壓途中壓力發生變動。縱向厚度不均勻,有時會出現極片經過輥壓后,測試極片厚度符合要求,但是在分切時又出現厚度增加的現象。此為極片的反彈現象,極片反彈一是極片內部水分較多,而是輥壓時速度太快。極片反彈問題可以通過使用熱輥工藝和控制輥壓速度解決。

極片出現鐮刀彎:這種情況主要是兩只軋輥接觸母線不平行或極片涂布兩邊厚度不一樣所致。由于邊緣厚度較中間部位大幾微米或十幾微米,輥壓軋輥壓力作用在極片上時,邊緣厚度大的區域承受更大的軋制力,從而導致極片輥壓壓實橫向密度不一致,造成了極片輥壓后翹曲嚴重,對后續的分切工藝也會產生不利影響。控制翹曲,關鍵還是要控制極片涂布質量,通過控制漿料表面張力、泵壓、走帶速度、輥壓壓力等參數可以有效減少極片翹曲的情況。當然,是在滿足設計要求的條件下。

極片出現波浪邊:這種情況主要是極片滾壓過程中延展率比較大造成的。誘因是輥身直徑小、極片滾壓前張力小、極片厚度壓縮量大、極片涂布兩邊凸起等等。當極片在輥壓的過程中,活物質之間相互擠壓,并對銅箔、鋁箔施加了一定的壓力,則會產生一定的延展。在輥壓時,沒有活物質涂覆的部分沒有發生延展,而有活物質的極片在輥壓力作用下產生延展,延展不一在外觀上形成箔帶邊緣的波浪形皺褶,平行的波浪痕跡與箔帶運動方向垂直。

向日葵视频色版app 極片表面出現暗條紋:這種情況主要是軋輥表面存在振紋、輥身圓柱度誤差大、前張力小且不均勻所致。

極片出現卷邊:這種情況就是極片延伸率過大所致。解決方法主要是加大輥身直徑、減小極片壓縮量、調整極片前后張力等。

極片出現斷帶:這種情況主要是張力不均勻不穩定、缺少張力快速響應機構、極片涂布邊緣凸起嚴重等所致。如在涂布過程中,若在極片表面留有小顆粒等質地不均現象,則在輥壓時,小顆粒受到雙輥壓力,便向箔帶方向擠壓,顆粒體較軟的可被碾成粉末繼而脫落,顆粒體較硬的會擠壓箔帶,造成箔帶破孔甚至箔帶斷裂;涂布過程中,如果極片表面面密度不同,則在輥壓過程中會出現一片過輥壓而另外一片輥壓不足。在極片走帶過程中,張力控制相同的情況下,輥壓不足的地方則會出現部分活物質脫落甚至斷箔的現象。控制收卷張力,防治大顆粒雜質落到極片表面可以有效減少極片斷裂。

極片兩邊張力松緊不同:這種情況主要是軋輥軸線與各過棍軸線不平行所致,可調整各輥軸線平行度解決。

軋輥表面出現麻點:這種情況是軋輥表面的疲勞點蝕,主要是軋輥材質及熱處理金相組織不均勻,輥面抗疲勞強度差引起的,也和軋輥表面粗糙度有關。

極片滾壓厚度反彈:這種情況主要是極片滾壓后殘余彈性變形量大、環境濕度大所致。可以嘗試熱滾壓、慢速輥壓、高速滾壓、減低環境相對濕度等措施。

極片板型不平整:這種情況主要是由于極片滾壓變形量不均勻、前后張力小且不均勻或極片涂布厚度誤差所致。

向日葵视频色版app 此外還有一些操作失誤,如測量極片厚度時刮料、問題點沒有及時標記等人為失誤,可以通過加強培訓提高意識來解決。

五、輥壓工藝對電芯的影響

1.輥壓對極片加工狀態的影響

輥壓后極片的理想狀態是極片表面平整、在光下光澤度一致、留白部分無明顯波浪、極片無大程度翹曲。但是,在實際生產中操作熟練度、設備運行情況等都會引起部分問題的產生。最直接的影響是影響極片分切,分切極片寬度不一致,極片出現毛刺;輥壓結果影響極片的卷繞,嚴重的翹曲會造成極片卷繞過程中極片、隔膜間產生較大的空隙,在熱壓后會形成某些部分多層隔膜疊加,成為應力集中點,影響電芯性能。

向日葵视频色版app 2.輥壓對鋰電池的影響

向日葵视频色版app 對電池比能量、比功率的影響:根據法拉第定律電池電極通過的電量與活性物質的質量成正比。極片滾壓直接影響了極片活性物質的壓實密度,直接影響電池比能量。

對電池能量密度、功率密度的影響:同樣是極片活性物質的壓實密度直接影響了電池的能量密度和功率密度。

對電池循環壽命的影響:極片滾壓直接影響了活性物質在電池集流體上的附著力,也就直接影響了活性物質在電池充放電過程中的分離與脫落。進而影響著電池的循環壽命。

對電池內阻的影響:極片上活性物質的壓實密度和脫落程度極大地影響著電池的歐姆內阻和電化學內阻,也就直接影響了電池的各種性能。

向日葵视频色版app 對電池安全的影響:極片上活性物質的壓實密度均勻性,電池極片滾壓造成的表面粗糙度等都會直接影響電池負極析鋰、正極析銅、尖角放電。最終釀成安全事故。

6、總結

鋰離子電池制作過程中有很多的影響因素,解決了每道工序中可能出現的工藝問題后,將直接減少對生產資料的浪費,完善后續的裝配、注液、包裝等工序的品質和效率,提高最終產品的品質和一致性,降低生產成本,繼而使鋰離子電池產品具有更強的市場競爭力.

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