鉅大LARGE | 點擊量：8603次 | 2021年05月18日
鋰離子電池極片：輥壓工序的過程控制以及注意事項
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(nèi)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500mm，輥身長度為500mm～700mm，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(dǎo)致極片輥壓寬度較窄。
而在銅箔、鋁箔等箔材制造領(lǐng)域，箔材絕大多數(shù)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1m以上。但是當前還沒有四輥輥壓機在極片輥壓中應(yīng)用的先例？（假如有，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(gòu)后，將極片正確穿過雙輥間隙，并連接收卷系統(tǒng)。開啟輥壓模式后，電機帶動上下輥同時轉(zhuǎn)動，收卷機構(gòu)拉動極片將穩(wěn)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(tài)時要涂一層薄油層，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(gòu)、自動糾偏機構(gòu)。因此，一個優(yōu)秀的輥壓機必須包含以下八大功能模塊：
軋輥壓力調(diào)整及快速反應(yīng)功能：滾壓機兩只軋輥之間的壓力調(diào)整是提高電池極片活性物質(zhì)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(diào)整必須快速反應(yīng)。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
軋輥間隙調(diào)整及準確復(fù)位功能：滾壓機兩只軋輥之間的間隙調(diào)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要，兩只軋輥之間的間隙快速調(diào)整后要準確復(fù)位。
極片滾壓前后張力調(diào)整與與快速反應(yīng)功能：電池極片滾壓過程中調(diào)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(jīng)常發(fā)生瞬間突變，張力控制快速反應(yīng)是防止斷帶的重要手段。
軋輥無級調(diào)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(jù)工藝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。
極片滾壓溫度調(diào)整功能：調(diào)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(diào)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。
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(diào)隙、在線監(jiān)測等都要求閉環(huán)控制甚至智能控制。
軋輥清潔及維護保養(yǎng)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(zhì)量。滾壓機便于維護保養(yǎng)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(shè)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(jīng)廣泛采用熱軋的方式進行極片軋制，而國內(nèi)還是多采用冷軋的方式,相比冷軋，熱軋有以下優(yōu)勢：
(1)去除極片的里面的水分;減少極片的內(nèi)應(yīng)力，因為在分切或模切時，減少極片的內(nèi)應(yīng)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(zhì)的吸液量。
(3)由于極片在加熱過程中材料處于熔融狀態(tài)：熱軋可以新增活性物質(zhì)與流體之間的粘合力少電池在充放電循環(huán)過程中掉粉情況的發(fā)生，提高電池的循環(huán)壽命
在軋制規(guī)程方面：可分為一次軋制和多次軋制。多次軋制工藝相對復(fù)雜，但可減少極片的反彈，極片光澤度好，厚度一致性高。
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(nèi)，隨著壓實密度新增，活性物質(zhì)粒子間距減小，接觸面積增大，利于離子導(dǎo)電的通路和橋梁增多，在宏觀方面表現(xiàn)為電池內(nèi)部電阻降低。但若極片的壓實密度太大，活性物質(zhì)粒子之間接觸程度太緊密，電子導(dǎo)電率新增。但鋰離子通道減少或者堵塞，不利于容量的發(fā)揮，進行放電時，極化新增，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(nèi)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(dǎo)電，在進行放電時，易導(dǎo)致極化新增。
輥壓的必要性：極片在涂布、干燥完成后，活物質(zhì)與集流體箔片的剝離強度很低，此時要對其進行輥壓，增強活物質(zhì)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。
軋制的目的有以下幾點：
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(fā)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；
3）使活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑顆粒接觸更加緊密，提高電子導(dǎo)電率；
4）增強涂層材料與集流體的結(jié)合強度，減少電池極片在循環(huán)過程中掉粉情況的發(fā)生，提高電池的循環(huán)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出現(xiàn)的摩擦力拉進旋轉(zhuǎn)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?qū)捳沟倪^程，其密度在軋制過程中不發(fā)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。電池極片執(zhí)行滾壓時，軋制力不宜過大也不宜過小，應(yīng)符合電池極片材料的特點。
圖5極片密度與軋制力的關(guān)系
I區(qū)域為第一階段：此階段中當軋制力剛開始逐漸新增時，極片的密度便迅速增大，這是因為這一階段中，電極材料顆粒出現(xiàn)位移，孔隙結(jié)構(gòu)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新增速率最快的階段。
II區(qū)域為第二階段：由于第一階段中電極材料孔隙結(jié)構(gòu)被填充，極片涂層材料的密度已經(jīng)達到定值，在第二階段中進行極片軋制時出現(xiàn)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(xù)增大，但極片的密度新增速率已經(jīng)降低。從微觀上來看，這是因為該階段內(nèi)極片涂層材料顆粒的位移已經(jīng)很小，但是涂層材料顆粒的大位移移動還沒有開始。
III區(qū)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新增而新增，然后新增的速率逐漸降低。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，極片的密度又開始新增。當軋制力新增到一定值時，由于極片涂層材料變形較為劇烈，造成加工硬化，假如此時繼續(xù)新增軋制力，極片涂層材料發(fā)生進一步變形已經(jīng)較為困難。因此，最后隨著軋制力的繼續(xù)新增，極片的密度新增不大，新增幅度也降低下來。
二、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(zhì)的壓實密度及其均勻性，提高活性物質(zhì)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(zhì)的壓縮量大小和軋輥咬入角。在極片活性物質(zhì)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(shè)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，其影響因素重要是軋輥同軸度、輥身圓柱度、軸承精度、設(shè)備剛性穩(wěn)定性、軋輥兩端的縫隙調(diào)整等極片滾壓表面的粗糙度取決于活性物質(zhì)顆粒大小和軋輥表面的粗糙度。
集流體延伸與活性物質(zhì)顆粒滑移：鋁箔或銅箔集流體在大輥徑軋輥滾壓設(shè)備上滾壓時很難延展，但是集流體上粘結(jié)的活性物質(zhì)在水平壓力的推動下會發(fā)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(dǎo)電性。
電池極片局部延伸壓縮與內(nèi)應(yīng)力不均：電池極片涂布經(jīng)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(zhì)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(nèi)應(yīng)力不均勻，進而影響了電池極片板型的平整度。
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(zhì)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(huán)境濕度：滾壓速度慢會減小極片活性物質(zhì)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(shù)值時，極片滾壓后的厚度反彈量反而變小，這是因為環(huán)境濕度造成的?；钚晕镔|(zhì)吸水量不僅影響了活性物質(zhì)的表面堿性，也影響了厚度反彈量。
極片滾壓內(nèi)應(yīng)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(nèi)應(yīng)力分布，出口張力影響極片的板型平整度。
熱滾壓與極片的變形抗力：一般說來，物質(zhì)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(fù)雜性。
四、輥壓過程中存在的問題及解決辦法
圖6：氣液增壓泵加壓式極片軋機
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(shè)備的剛性穩(wěn)定性差等等。橫向厚度不均勻,在極片輥壓過程中，常出現(xiàn)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，則要對輥壓壓力進行左右調(diào)節(jié)，以保證極片輥壓后左右壓實密度一致。在輥壓過程中要按時對極片進行測試，以防輥壓途中壓力發(fā)生變動?？v向厚度不均勻,有時會出現(xiàn)極片經(jīng)過輥壓后，測試極片厚度符合要求，但是在分切時又出現(xiàn)厚度新增的現(xiàn)象。此為極片的反彈現(xiàn)象，極片反彈一是極片內(nèi)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(xiàn)鐮刀彎：這種情況重要是兩只軋輥接觸母線不平行或極片涂布兩邊厚度不相同所致。由于邊緣厚度較中間部位大幾微米或十幾微米，輥壓軋輥壓力用途在極片上時，邊緣厚度大的區(qū)域承受更大的軋制力，從而導(dǎo)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(xù)的分切工藝也會出現(xiàn)不利影響?？刂坡N曲，關(guān)鍵還是要控制極片涂布質(zhì)量，通過控制漿料表面張力、泵壓、走帶速度、輥壓壓力等參數(shù)可以有效減少極片翹曲的情況。當然，是在滿足設(shè)計要求的條件下。
極片出現(xiàn)波浪邊:這種情況重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(zhì)之間相互擠壓，并對銅箔、鋁箔施加了一定的壓力，則會出現(xiàn)一定的延展。在輥壓時，沒有活物質(zhì)涂覆的部分沒有發(fā)生延展，而有活物質(zhì)的極片在輥壓力用途下出現(xiàn)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。
極片表面出現(xiàn)暗條紋:這種情況重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(xiàn)卷邊:這種情況就是極片延伸率過大所致。解決方法重要是加大輥身直徑、減小極片壓縮量、調(diào)整極片前后張力等。
極片出現(xiàn)斷帶:這種情況重要是張力不均勻不穩(wěn)定、缺少張力快速響應(yīng)機構(gòu)、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(zhì)地不均現(xiàn)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，假如極片表面面密度不同，則在輥壓過程中會出現(xiàn)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(xiàn)部分活物質(zhì)脫落甚至斷箔的現(xiàn)象?？刂剖站韽埩Γ乐未箢w粒雜質(zhì)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:這種情況重要是軋輥軸線與各過棍軸線不平行所致，可調(diào)整各輥軸線平行度解決。
軋輥表面出現(xiàn)麻點:這種情況是軋輥表面的疲勞點蝕，重要是軋輥材質(zhì)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(guān)。
極片滾壓厚度反彈:這種情況重要是極片滾壓后殘余彈性變形量大、環(huán)境濕度大所致?？梢試L試熱滾壓、慢速輥壓、高速滾壓、減低環(huán)境相對濕度等措施。
極片板型不平整:這種情況重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。
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(xùn)提高意識來解決。
五、輥壓工藝對鋰離子電池性能的影響
1.輥壓對極片加工狀態(tài)的影響
輥壓后極片的理想狀態(tài)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(chǎn)中操作熟練度、設(shè)備運行情況等都會引起部分問題的出現(xiàn)。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(xiàn)毛刺；輥壓結(jié)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、隔膜間出現(xiàn)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(yīng)力集中點，影響電芯性能。
2.輥壓對鋰離子電池的影響
對電池比能量、比功率的影響：根據(jù)法拉第定律電池電極通過的電量與活性物質(zhì)的質(zhì)量成正比。極片滾壓直接影響了極片活性物質(zhì)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(zhì)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(huán)壽命的影響：極片滾壓直接影響了活性物質(zhì)在電池集流體上的附著力，也就直接影響了活性物質(zhì)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(huán)壽命。
對電池內(nèi)阻的影響：極片上活性物質(zhì)的壓實密度和脫落程度極大地影響著電池的歐姆內(nèi)阻和電化學內(nèi)阻，也就直接影響了電池的各種性能。
對電池安全的影響：極片上活性物質(zhì)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。
