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极片辊压是锂离子电池制造一道工序

时间:2018-11-23    点击: 次    来源:网络    关键字:极片辊压 - 小 + 大

极片辊压是锂离子电池制造过程中必经的一道工序,辊压的目的是获得符合设计参数的极片。通常通过监控极片辊压后压实密度、厚度、活物质与箔材的剥离强度等来确保极片符合制造要求。极片辊压之所以是必要的,是因为极片在涂布、干燥完成后,活物质与集流体箔片的剥离强度很低,需要对其进行辊压,以增强活物质与箔片的粘接强度,以防在电解液浸泡、电池使用过程中剥落。同时,极片辊压可以压缩电芯体积,提高电芯能量密度,降低极片内部活物质、导电剂、粘结剂之间的孔隙率,降低电池的电阻提高电池性能。

极片辊压压实密度的选择非常重要,不同材料的压实密度不同。目前商业化正极材料的真密度大小约为:钴酸锂(5.1g/cm3)>三元材料(4.8/cm3)>锰酸锂(4.2g/cm3)>磷酸铁锂(3.6g/cm3),和这几种材料的压实密度规律一致,材料的真密度对压实密度的影响是无法改变的。压实密度既对电池能量密度有影响,也对极片的电阻率、极片制造过程中的辊压打皱、分切毛刺数量、大小有重要影响。今日要说的是辊压过程中极片打皱情况,下面针对极片打皱的原因进行分析,并针对打皱原因提出一些解决方案。

一、极片打皱的机理

极片的打皱有几种类型,极耳波浪边、极耳褶皱、涂料区起皱。当然,这几种打皱严重程度有好几种。极片涂料区打皱会造成裸电芯表面不平整,应力集中处可能造成隔膜破损,引起电芯微短路或短路。极耳处打皱则会影响极耳焊接强度,导致焊接不良或者增大了电池的电阻,电池充放电过程中发热快,循环寿命衰减加快。极耳皱也可能会造成隔膜刺穿,引起短路。极片边缘打皱处,活物质也更容易脱落,露箔对极片来说是比较严重的品质问题。综上,极片打皱必须要控制好,对应极片打皱的原因也有多种,有电极材料本身原因也有设备精度的原因,下面将逐一进行分析。

铜箔和铝箔都是利用铜铝块经过挤压压片制成的,具有很好的金属加工性和延展性。当极片在辊压的过程中,活物质之间相互挤压,并对铜箔、铝箔施加了一定的压力,则会产生一定的延展。在辊压时,没有活物质涂覆的部分没有发生延展,而有活物质的极片在辊压力作用下产生延展,两处位置延展不一致,在外观上就形成箔材边缘波浪,严重的话就会形成细密的皱褶。

极片打皱与极片的压实密度有关,压实密度越大,打皱就会越严重。打皱与集流体材质也有关,基材越薄,皱箔的现象就越明显,也不易调整。这也是目前市场上很难使用12μm以下铝箔的原因。

此外,涂布横向面密度、纵向面密度不一致也会加重极片打皱程度,面密度不一致时会造成极片应力不一致,释放应力后就会造成极片表面不平整。辊压机压辊磨损时,辊面形成凹形,极片中间位置的压实密度就会和极片边缘压实密度不一致,延展不一致,因此会产生打皱。由于异常原因导致的轧辊局部位置磨损,极片被辊压后也会造成表面不平整。

除了以上原因外,还有过辊不平行、张力不均、涂布单双面对齐度超限也会造成极片打皱。收放卷张力不均会造成极片波浪边,过辊不平行会造成极耳褶皱,涂布单双面对齐超限会影响辊压机纠偏装置,造成极片轻微摆动,过压辊后边缘位置与中间位置面密度不一致,造成过压或波浪边。

二、极片打皱防治

针对极片打皱的原因,极片的打皱防治可以从工艺设计和设备改良两方面着手。关于工艺设计方面,主要针对极片留白位置和涂料位置受力不均匀造成的极片打皱。极片要选择合适的涂布面密度和压实密度,适当降低压实密度可以缓解极片打皱。

在设备方面,测试校准各辊的水平度可以解决因收卷张力而引起的极片打皱。磨辊可以解决因辊面磨损造成的极片打皱。收卷张力应根据收卷大小适当做出调整,极卷收大时初始的收卷张力就显的有点大了,降低收卷张力可以减轻波浪边。

以上改善方式是在不对辊压机进行大的变动基础上应用的。另外,设备加装展平PINCH机构、采用热辊工艺能改善极片打皱。

PINCH工艺是通过差速拉伸,使得涂覆区和极耳区长度一致,消除打皱。在辊压的过程中,极耳区比较薄,双面涂布下是无法接触到轧辊,涂覆区受到辊的压力,两边张力不一致,一般来讲,辊径越小,极片延展越严重,褶皱越厉害。

热辊工艺也可以缓解极片打皱,热辊工艺主要有极片加热后辊压、轧辊加热辊压两种方式。第一种方式是将极片加热后再进行辊压,此种方式成本较低,但是温度一致性较差。轧辊加热辊压的方式,可以基本保证极片表面温度一致。除此之外,热辊工艺的好处还有:

(1)去除极片的里面的水分

(2)减少极片的在轧制后的材料反弹。

(3)由于极片在加热过程中材料处于熔融状态,热轧可以增加活性物质与流体之间的粘合力

(4)减少极片的内应力,因为在分切或模切时,减少极片的内应力的释放影响的不良

(5)降低电池极片的变形抗力,有利于提高活性物质的吸液量。

现在有很多的实用新型类的专利,讲到了如何辊压消褶,技术人员不妨参考学习下。辊压后极片打皱的缓解说到底还是要依靠工艺设计和设备改装两者共同改善,在工艺设计上尽量控制双侧留白的长度,或者采用辊压前切极耳的方式。如果在工艺设计上无法进行变更的话,唯有借助消褶装置来降低打皱的严重程度。消褶机构依靠较大的拉伸力,将双侧留白未受辊压力的地方进行拉伸延展,以起到缓解极片打皱的目的。由于消褶机构的拉伸力较大,要注意辊压断带的问题,适当调整拉伸力大小。此外还要注意拉伸装置过辊的水平度和磨损程度,以免造成更严重的打皱问题。

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