锂离子电池极片辊压工艺原理与厚度控制

 

在锂离子电池的生产过程中，辊压工艺是确保极片性能和电池质量的关键环节。通过将电池正负极材料与活性物质、导电剂、粘结剂等混合物进行辊压，使其形成致密的结构，从而实现降低涂层厚度、增加压实密度、提高涂膜黏结性等目标。本文将深入探讨辊压工艺的基本原理、变形区的力学特性以及通过辊缝、张力、速度和压力等参数调控极片厚度的方法。

 

辊压开始时，极片与轧辊接触，并靠二者之间的摩擦力，使得极片被轧辊咬住，极片被拽入轧辊，在变形区内发生变形，极片从辊缝出来后完成辊压变形。极片不断进入变形区，并连续发生变形，进入稳定压制阶段。当极片末端完全脱离变形区以后，辊压过程结束。

 

简单辊轧过程变形区示意图

 

 

在锂离子电池极片的辊压过程中，极片的宽度和长度变形很小，集流体厚度不发生变化，对极片的辊压可降低涂层厚度、增加压实密度、提高涂膜黏结性，达到稳定电极结构和提高电池容量的目的。

 

极片的辊压过程是单位面积质量不变而体积减小的过程。压制后的厚度h可用下式计算:

 

 

式中，h'为极片集流体厚度；ρ为压制后充填密度；m为单位面积极片的质量；m0为单位面积集流体质量。

 

 

表1. 极片的尺寸及力学性能参数

 

 

 

 

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辊压后的极片厚度控制

辊压工艺通过选择辊缝尺寸，调整极片出口张力、辊压速度、辊压力等参数，确保辊压后的极片厚度达到工艺要求值。

 

 

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辊缝尺寸调整

在其他辊压条件一定的情况下，设置初始辊缝为S01，则辊压机的弹性曲线A和轧件的塑性曲线B如下图(左)所示，这时得到的轧件厚度为它们的交点对应的横坐标h1。当需要减小辊压厚度δh时，需要减小缝尺寸δS即辊缝由S01变为S02，辊压机的弹性曲线左移到A'，A'与塑性曲线B的交点横坐标为h2，此时辊压厚度为h2，减小δh。反之，增大辊缝将会增大辊压厚度。

(左)辊缝调整原理图；(右)来料厚度变化时辊缝调整

 

 

来料厚度不同时的辊缝调整，如上图(右)所示。当来料出现厚度增大δH时，即板厚由H1增大到H2，在原始辊缝和其他条件不变时，轧件塑性曲线由图中B右移为B'，此时辊压机的弹性曲线为A，导致弹塑性曲线交点横坐标由h1右移到h2，辊压厚度增大品δh。为矫正极片厚度产生的δh偏差，调整初始辊缝由S01变为S02，则辊压机的弹性曲线由A变为A'，辊压厚度(A'和B'交点横坐标)重回设计辊压厚度h1。

 

 

 

 

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张力调整

辊压过程中，极片前端大于后端的速度，就会在极片中产生拉应力，也称为张力。与辊缝调整相比，通过张力调整改变薄板的辊压厚度具有反应快、精确度高、效果好等特点。

 

张力调整是通过改变轧件塑性曲线的倾斜度，来调整辊压机弹性曲线与轧件塑性曲线的交点位置，达到调节辊压厚度的目的。

 

(左)张力调整或速度调整；(右)来料厚度变化时张力调整

 

 

如上图(左)所示，当张力变大时，塑性曲线由B变为B'，倾斜度变小，塑性曲线与弹性曲线的交点左移，辊压厚度减小δh。反之，当需要增大辊压厚度时，减小张力，塑性曲线由B'变为B，弹性曲线和塑性曲线的交点右移，辊压厚度变大。

 

针对不同厚度来料的张力调整，如上图(右)所示。当来料厚度增大δH，则塑性曲线由B右移到B'，弹塑性曲线的交点由h1右移到h2，辊压厚度增大δh；通过增大张力，使塑形曲线斜率下降，由B'变为B＂，弹塑性曲线交点左移δh，压厚度回复到h1。

 

• 张力分为前张力和后张力。

 

需要注意的是后张力比前张力对辊压厚度的影响幅度更大。

• 一般来说，后张力大于前张力，带材不易拉断，保证带材不跑偏，较平稳地进入缝。但后张力过大会增加主电机负荷。

 

• 相反前张力大于后张力时，可以降低主电机负荷，有利于辊压时工作辊的稳定性，能使变形均匀，对控制板形效果显著，但是过大的前张力会使极片卷得太紧，易产生黏结和断带。

 

• 另外张力的调整范围不宜过大，最大张应力值不能大于或等于金属的屈服强度，否则会造成带材在变形区外产生塑性变形，甚至断带，破坏辊压过程或使产品质量变坏。

 

一般锂电极片辊压的前张力1~10kgf(9.8~98N，1kgf=9.80665N)，后张力2~15kgf(19.6~147N)。

 

 

 

 

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辊压速度调整

辊压速度调整会改变轧件塑性曲线的倾斜度。辊压速度越快，则极片塑性曲线越陡，与辊压机弹性曲线交点越靠右，辊压厚度变大；降低辊压速度，会使极片塑性曲线倾斜度降低，辊压厚度减小，其调整原理与张力调整相同。辊压速度的调整还会影响到辊压温度、轧辊与电池极片的摩擦系数等因素。

 

 

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辊压力调整

一般情况下，辊压力属于因变量。在轧件及辊缝、张力、速度等辊压工艺参数一定时，辊压力也随之确定。辊压力大小等于轧件变形抗力或辊压机的弹性变形力。要得到较准确的辊压力数据，需要用实际测量的方法。影响辊压力的因素很多，电池极片的初始厚度越大，电池极片的绝对压下量越大，辊压温度越低，辊压速度越快，轧辊与电池极片间的摩擦系数越大，电池极片的宽度和轧辊直径越大，变形抗力越大，辊压力越大。综上所述，通过合理调整辊缝、张力、速度和压力等工艺参数，可以有效控制极片的厚度，从而提高电池的容量和稳定性。在未来的研究中，进一步优化这些参数的调控策略，结合先进的检测技术，美能光子湾科技将继续助力锂离子电池制造技术的发展，推动行业向更高效率和更高质量的方向迈进。