锂离子电池极片辊压工序详解
时间:2020-05-04 15:09来源:锂电派 作者:综合报道
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极片辊压是一个锂离子电池生产过程中一个重要的环节，其目的是获得符合设计要求的极片。辊压是一个很有必要的工序，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，此时需要对其进行辊压，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。下面将详细介绍：
1. 辊压设备
辊压设备需要具备的基本功能有：
（1）轧辊压力调整及快速反应功能：辊压机两只轧辊之间的压力调整是提高电池极片活性物质压实密度的必要条件，由于涂布间歇、单双面交错等因素影响，两辊之间的压力调整必须快速反应。
（2）轧辊间隙调整及准确复位功能：辊压机两只轧辊之间的间隙调整是获得电池极片厚度的必要条件。由于极片涂布方式变化及极片接带的需要，两只轧辊之间的间隙快速调整后需要准确复位。
（3）极片辊压前后张力调整与与快速反应功能：电池极片辊压过程中调整前后张力可以控制电池极片的板型平整度。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。
（4）轧辊无级调速与线速度同步功能：电池极片辊压机在启停过程中或根据工艺需要必须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。
（5）极片辊压温度调整功能：调整电池极片辊压温度可以直接影响辊压过程中的电池极片的变形抗力和塑性变形量。
（6）轧辊变形的矫正功能：电池极片辊压过程或温度调整过程中，两只轧辊必然存在轴向挠曲变形和径向鼓胀变形，矫正轧辊变形直接影响电池极片的厚度均匀性和压实密度均匀性。
（7）极片辊压过程的智能控制功能：随着极片辊压速度以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、在线监测等都要求闭环控制甚至智能控制。
（8）轧辊清洁及维护保养功能：电池极片辊压过程中两只轧辊表面粘粉是常有的事，保持辊面清洁既可以减少轧辊磨损，还可以提高电池极片表面质量。辊压机便于维护保养也是非常必要的功能。
2. 辊压过程和控制
（1）电池极片辊压的基本机理：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其均匀性，提高活性物质的附着力，提高表面粗糙度。辊压过程遵从重量不变定律。
（2）垂直压实与纵向延展。在辊压过程中，两只轧辊对电池极片的压力实际上是垂直压力和水平压力的合力，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，咬入角小则垂直压力大。压实密度取决于垂直压力大小，纵向延伸率取决于水平压力大小。
（3）极片压实密度均匀性与表面粗糙度。假设极片涂布厚度是均匀的，则电池极片压实密度均匀性取决于两只轧辊之间接触母线的平行度，其影响因素主要是轧辊同轴度、辊身圆柱度、轴承精度、设备刚性稳定性、轧辊两端的缝隙调整等。极片辊压表面的粗糙度取决于活性物质颗粒大小和轧辊表面的粗糙度。
（4）集流体延伸与活性物质颗粒滑移。铝箔或铜箔集流体在大辊径轧辊辊压设备上辊压时很难延展，但是集流体上粘结的活性物质在水平压力的推动下会发生滑移，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。
（5）电池极片局部延伸压缩与内应力不均。电池极片涂布经涂布厚度存在误差，两只轧辊接触母线平行度也存在误差。为此电池极片上的活性物质局部压实密度并不均匀，局部延展与周边压缩并存造成了极片内应力不均匀，进而影响了电池极片板型的平整度。
（6）极片压实密度、延伸率与辊颈。前面说过两只轧辊咬入角大小直接影响了极片活性物质的压实密度和延伸率，而轧辊辊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。
（7）极片辊压厚度反弹与辊压速度和环境湿度。辊压速度慢会减小极片活性物质的弹性变形量，也就是辊压后的厚度反弹量会变小。然而事实是当辊压速度提高到一定数值时，极片辊压后的厚度反弹量反而变小，这是因为环境湿度造成的。活性物质吸水量不仅影响了活性物质的表面碱性，也影响了厚度反弹量。
（8）极片辊压内应力不均匀与张力控制。极片辊压的过程就是压缩变形与延展变形的过程，此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。
（9）热辊压与极片的变形抗力。一般说来，物质变形抗力都会随着温度升高而变小，塑性变形量也会随之增大。极片热辊压还有利于减少轧辊表面磨损。但就极片冷热辊压的比较一直没有明显效果，足见极片辊压影响因素的复杂性。
3. 辊压工序常见问题和解决
（1）极片厚度不均匀。引起极片滚压厚度不均匀的因素很多，如极片涂布厚度不均匀、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等。这些问题不好调整，是来料及设备本身问题。
（2）极片出现镰刀弯。这种情况主要是两只轧辊接触母线不平行或极片涂布两边厚度不一样所致。
（3）极片出现波浪边。这种情况主要是极片滚压过程中延展率比较大造成的。诱因是辊身直径小、极片滚压前张力小、极片厚度压缩量大、极片涂布两边凸起等等。
（4）极片表面出现暗条纹。这种情况主要是轧辊表面存在振纹、辊身圆柱度误差大、前张力小且不均匀所致。
（5）极片出现卷边。这种情况就是极片延伸率过大所致。解决方法主要是加大辊身直径、减小极片压缩量、调整极片前后张力等。
（6）极片出现断带。这种情况主要是张力不均匀不稳定、缺少张力快速响应机构、极片涂布边缘凸起严重等所致。
（7）极片两边张力松紧不同。这种情况主要是轧辊轴线与各过棍轴线不平行所致，可调整各辊轴线平行度解决。
（8）轧辊表面出现麻点。这种情况是轧辊表面的疲劳点蚀，主要是轧辊材质及热处理金相组织不均匀，辊面抗疲劳强度差引起的，也和轧辊表面粗糙度有关。
（9）极片滚压厚度反弹。这种情况主要是极片滚压后残余弹性变形量大、环境湿度大所致。可以尝试热滚压、慢速辊压、高速滚压、减低环境相对湿度等措施。
（10）极片板型不平整。这种情况主要是由于极片滚压变形量不均匀、前后张力小且不均匀或极片涂布厚度误差所致。
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