電池極片輥壓機(jī)原理介紹及作用說(shuō)明

李青松 趙旭東

摘要：鋰離子電池的極片在涂布、干燥完成后，活物質(zhì)與集流體箔片的剝離強(qiáng)度很低，需要對(duì)其進(jìn)行輥壓，以增強(qiáng)活物質(zhì)與箔片的粘接強(qiáng)度，以防在電解液浸泡、電池使用過(guò)程中剝落。同時(shí)，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(nèi)部活物質(zhì)、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑之間的孔隙率，降低電池的電阻從而提高電池性能。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池;輥壓機(jī);極片;調(diào)試

引言

鋰離子電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、自放電率小、無(wú)記憶效應(yīng)和綠色環(huán)保等突出優(yōu)勢(shì)。鋰離子電池作為性能優(yōu)越的二次電源，目前市場(chǎng)前景廣闊，廣泛應(yīng)用于儲(chǔ)能行業(yè)和電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)。尤其是近年來(lái)作為動(dòng)力電池的市場(chǎng)前景越來(lái)越廣闊。

電池極片軋制設(shè)備是從軋鋼機(jī)械演變過(guò)來(lái)的，一般由機(jī)架部分、傳動(dòng)部分及電控部分組成。根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)與輥壓模式可將輥壓機(jī)分為：手動(dòng)螺旋加壓式極片軋機(jī)、氣液增壓泵加壓式極片軋機(jī)、液壓伺服加壓式極片軋機(jī)。輥壓機(jī)具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，調(diào)節(jié)精度高，輥壓精度高，操作方便等，整機(jī)設(shè)計(jì)需要合理、簡(jiǎn)捷、美觀，融可靠性、實(shí)用性與高效性于一體。

電池極片的軋制是軋輥與電池極片之間產(chǎn)生摩擦力，把電池極片拉進(jìn)旋轉(zhuǎn)的軋輥之間，電池極片受壓變形的過(guò)程。其目的在于增加正極或負(fù)極材料的壓實(shí)密度，合適的壓實(shí)密度可增大電池的放電容量、減小內(nèi)阻、減小極化損失、延長(zhǎng)電池的循環(huán)壽命、提高鋰離子電池的利用率。極片的厚度一致性對(duì)動(dòng)力鋰離子電池組的容量、循環(huán)壽命和安全性等有重要的影響。

極片輥壓改善電極中顆粒之間的接觸，及電極涂層和集流體之間的接觸面積，降低了不可逆容量損失、接觸內(nèi)阻和交流阻抗;另一方面，輥壓導(dǎo)致的極片壓實(shí)太高，也會(huì)導(dǎo)致孔隙率損失，孔隙的迂曲度增加，活性物質(zhì)顆粒表面粘合劑被擠壓，限制了電解液的擴(kuò)散和鋰離子的嵌入/脫嵌，電池的倍率性能下降，因此輥壓工藝對(duì)鋰離子電池的電性能起到關(guān)鍵影響。

一、極片輥壓機(jī)原理介紹

為了提高電池極片表面材料的密度及厚度的一致性，正負(fù)極片在涂布工序之后須進(jìn)行滾壓，此工序稱為電池極片的輥壓。目前國(guó)內(nèi)外鋰離子電池廠家均使用二輥輥壓機(jī)輥壓極片，雙輥壓機(jī)是由兩個(gè)鑄鋼壓實(shí)輥以及電機(jī)和傳動(dòng)軸組成。完整的輥壓過(guò)程是將涂布完成的極片，固定于放卷機(jī)構(gòu)后，將極片正確穿過(guò)雙輥間隙，并連接收卷系統(tǒng)。開(kāi)啟輥壓模式后，電機(jī)帶動(dòng)上下輥同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，收卷機(jī)構(gòu)拉動(dòng)極片將穩(wěn)步穿過(guò)輥壓間隙，最終被壓到所需壓實(shí)密度。輥壓機(jī)在非工作狀態(tài)時(shí)需要涂一層薄油層，以防其生銹，在使用前用無(wú)水乙醇將油層擦干凈，并清理收放卷機(jī)構(gòu)、自動(dòng)糾偏機(jī)構(gòu)。因此，輥壓機(jī)必須包含以下八大功能模塊：

（一）軋輥壓力調(diào)整及快速反應(yīng)功能：滾壓機(jī)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(shí)密度的必要條件，由于涂布間歇、單雙面交錯(cuò)等因素影響，兩輥之間的壓力調(diào)整必須快速反應(yīng)。

（二）軋輥間隙調(diào)整及準(zhǔn)確復(fù)位功能：滾壓機(jī)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需要，兩只軋輥之間的間隙快速調(diào)整后需要準(zhǔn)確復(fù)位。

（三）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(guò)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(guò)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。

（四）軋輥無(wú)級(jí)調(diào)速與線速度同步功能：電池極片滾壓機(jī)在啟停過(guò)程中或根據(jù)工藝需要必須對(duì)兩只軋輥進(jìn)行無(wú)級(jí)變速，同時(shí)確保兩只軋輥的線速度一致。

（五）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(guò)程中的電池極片的變形抗力和塑性變形量。

（六）軋輥?zhàn)冃蔚某C正功能：電池極片滾壓過(guò)程或溫度調(diào)整過(guò)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?zhàn)冃沃苯佑绊戨姵貥O片的厚度均勻性和壓實(shí)密度均勻性。

（七）極片滾壓過(guò)程的智能控制功能：隨著極片滾壓速度以及自動(dòng)化程度的不斷提升，自動(dòng)上下料、自動(dòng)接帶、自動(dòng)加壓、自動(dòng)調(diào)隙、在線監(jiān)測(cè)等都要求閉環(huán)控制甚至智能控制。

（八）軋輥清潔及維護(hù)保養(yǎng)功能：電池極片滾壓過(guò)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(jī)便于維護(hù)保養(yǎng)也是非常必要的功能。

二、輥壓目的

極片的壓實(shí)密度對(duì)電池的電化學(xué)性能有重要影響。在一定范圍內(nèi)，隨著壓實(shí)密度增加，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(shí)密度太大，活性物質(zhì)粒子之間接觸程度太緊密，電子導(dǎo)電率增加。但鋰離子通道減少或者堵塞，不利于容量的發(fā)揮，進(jìn)行放電時(shí)，極化增加，電壓降低，容量下降。壓實(shí)密度太小時(shí)，粒子間距大，鋰離子移動(dòng)通道通暢，電解液吸液能力較強(qiáng)，利于電池內(nèi)部的鋰離子移動(dòng)，但由于粒子間接觸程度不夠緊密，不利于電子進(jìn)行導(dǎo)電，在進(jìn)行放電時(shí)，易導(dǎo)致極化增加。

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(qiáng)度很低，此時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行輥壓，增強(qiáng)活物質(zhì)與箔片的粘接強(qiáng)度，以防在電解液浸泡、電池使用過(guò)程中剝落。

軋制的目的有以下幾點(diǎn)：

（一）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;

（二）對(duì)極片涂層材料進(jìn)行壓實(shí)，降低極片的體積，以提高電池的能量密度;

（三）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;

（四）增強(qiáng)涂層材料與集流體的結(jié)合強(qiáng)度，減少電池極片在循環(huán)過(guò)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、輥壓工藝對(duì)電芯的影響

（一）輥壓對(duì)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(wú)明顯波浪、極片無(wú)大程度翹曲。但是，在實(shí)際生產(chǎn)中操作熟練度、設(shè)備運(yùn)行情況等都會(huì)引起部分問(wèn)題的產(chǎn)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(xiàn)毛刺;輥壓結(jié)果影響極片的卷繞，嚴(yán)重的翹曲會(huì)造成極片卷繞過(guò)程中極片、隔膜間產(chǎn)生較大的空隙，在熱壓后會(huì)形成某些部分多層隔膜疊加，成為應(yīng)力集中點(diǎn)，影響電芯性能。

（二）輥壓對(duì)鋰電池的影響

對(duì)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(guò)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(shí)密度，直接影響電池比能量。

對(duì)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(shí)密度直接影響了電池的能量密度和功率密度。

對(duì)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(guò)程中的分離與脫落。進(jìn)而影響著電池的循環(huán)壽命。

對(duì)電池內(nèi)阻的影響：極片上活性物質(zhì)的壓實(shí)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(xué)內(nèi)阻，也就直接影響了電池的各種性能。

對(duì)電池安全的影響：極片上活性物質(zhì)的壓實(shí)密度均勻性，電池極片滾壓造成的表面粗糙度等都會(huì)直接影響電池負(fù)極析鋰、正極析銅、尖角放電。最終釀成安全事故。

四、總結(jié)

鋰離子電池制作過(guò)程中有很多的影響因素，解決了每道工序中可能出現(xiàn)的工藝問(wèn)題后，將直接減少對(duì)生產(chǎn)資料的浪費(fèi)，完善后續(xù)的裝配、注液、包裝等工序的品質(zhì)和效率，提高最終產(chǎn)品的品質(zhì)和一致性，降低生產(chǎn)成本，繼而使鋰離子電池產(chǎn)品具有更強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

參考文獻(xiàn)：

[1]程建軍. 國(guó)內(nèi)鋰離子動(dòng)力電池關(guān)鍵工藝裝備[J]. 科技傳播， 2012， 2012（13期）： 82-83.

[2]劉斌斌，杜曉鐘，王榮軍，閆時(shí)建. 動(dòng)力鋰離子電池極片的輥壓工藝研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2018（4期）：592-598.