淺析鋰電池隔膜雙向拉伸線配方喂料方式

程志輝

（銅陵晶能電子股份有限公司，銅陵 244000）

0 引言

帶有微孔的隔膜材料是鋰電池組成結(jié)構(gòu)中最核心的部分之一，隔膜產(chǎn)品性能的好壞直接影響電池成品的品質(zhì)、放電容量以及循環(huán)使用壽命等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。在電池使用過(guò)程中，隔膜主要對(duì)電池正負(fù)極進(jìn)行隔離，防止兩極間形成直接的電子通路，同時(shí)隔膜上的微孔又允許電解液環(huán)境中的離子自由通過(guò)[1]。

干法雙向拉伸聚丙烯隔膜具有耐高溫性、安全性能好，而被認(rèn)為是鋰電池材料未來(lái)的主要發(fā)展方向之一，而鋰電池隔膜行業(yè)中產(chǎn)品性能的均勻一致性是決定隔膜質(zhì)量的關(guān)鍵所在。在鋰電池隔膜的生產(chǎn)過(guò)程中，原料是由聚丙烯（PP）基料和極少量的多種β成核劑、擴(kuò)散劑等添加劑混合而成，添加劑直接影響著鋰電池隔膜微孔的形成，母料與添加劑的均勻混合決定了隔膜微孔數(shù)量分布和孔徑大小的均勻一致性，如何使其均勻分布在原料PP中，這也成為生產(chǎn)出高品質(zhì)隔膜的關(guān)鍵之一。

1 配料方案設(shè)計(jì)

1.1 傳統(tǒng)配料方式及弊端

國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的干法雙向拉伸鋰電池隔膜生產(chǎn)線，為保證聚丙烯（PP）基料和添加劑混合均勻，傳統(tǒng)做法是二次或多次造粒；即將母料和多種添加劑按照一定比例混合攪拌后送入雙螺桿擠出機(jī)高溫熔融擠出，重新生產(chǎn)出含添加劑的聚丙烯（PP）基料，以保證多次造粒后，母料和添加劑的均勻混合。造粒后的聚丙烯（PP）粒料經(jīng)烘干后喂入主線單螺桿擠出機(jī)，熔融、塑化擠出。但此方法存在一些弊端：1）多次造粒會(huì)造成原料熔融指數(shù)的升高和波動(dòng)，分子鏈結(jié)構(gòu)遭到破壞，降低材料的機(jī)械和力學(xué)性能，使得隔膜在穿刺強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度等性能指標(biāo)降低，隔膜的品質(zhì)受到影響；2）在高溫作用下會(huì)使物料產(chǎn)生降解物，從而影響產(chǎn)品的成膜性和理化性能；同時(shí)增加灰分含量，使得隔膜表面不可避免的產(chǎn)生晶點(diǎn)和魚眼等瑕疵，直接影響隔膜的使用性；3）二次造粒需要造粒設(shè)備、能源消耗，同時(shí)也增加了生產(chǎn)成本和環(huán)節(jié)控制成本，對(duì)隔膜產(chǎn)品的穩(wěn)定性和一致性有著不可避免的影響。

1.2 改進(jìn)的配方喂料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)喂料系統(tǒng)大體可分為三個(gè)部分：上料部分、混配料部分、下料部分。

上料部分：上料部分由真空泵、輸送料管道、儲(chǔ)料倉(cāng)等部分組成。真空泵工作時(shí)會(huì)在輸送料管道內(nèi)產(chǎn)生足夠的負(fù)壓，依靠管道內(nèi)外的壓差把原料吸進(jìn)對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)料倉(cāng)內(nèi)，每一個(gè)料倉(cāng)吸料的順序會(huì)有優(yōu)先級(jí)區(qū)分，一般用量比較大的主料（基料）優(yōu)先級(jí)最高，輔料（添加劑）次之。主料吸滿后，再切換到輔料1，輔料1吸滿后，再切換到輔料2，依次循環(huán)。如果低優(yōu)先級(jí)的原料正在吸料時(shí)，高優(yōu)先級(jí)的原料提示缺料，則低優(yōu)先級(jí)的原料停止吸料，同時(shí)立即切換到高優(yōu)先級(jí)的原料進(jìn)行吸料。吸料時(shí)間可根據(jù)工藝要求任意設(shè)置。真空泵配備為兩臺(tái)，一備一用，如果運(yùn)行過(guò)程中，正在使用的真空泵突然出現(xiàn)故障，可立即切換到備用泵，不影響生產(chǎn)的正常有序進(jìn)行。

混配料部分：為解決現(xiàn)有鋰電池隔膜生產(chǎn)過(guò)程中二次造粒的問(wèn)題。本企業(yè)采用不同的喂料系統(tǒng)方式：喂料系統(tǒng)包括存儲(chǔ)料倉(cāng)、連接料管、失重稱、特制料倉(cāng)等。當(dāng)多種粒料配比差異較大時(shí)，直接混合是無(wú)法保證混合均勻的。為保證下料比例的均勻一致性，就要采用高精度的失重稱和特制料倉(cāng)；料倉(cāng)內(nèi)徑僅稍大于擠出機(jī)的進(jìn)料口，內(nèi)部設(shè)置有靜態(tài)混料裝置，并設(shè)置有高、低料位裝置，各與失重稱、擠出機(jī)聯(lián)動(dòng)；特制料倉(cāng)中低料位是料倉(cāng)的安全報(bào)警裝置，當(dāng)料位低于此料位時(shí)，會(huì)發(fā)出報(bào)警，如不及時(shí)處理，將在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)停止擠出系統(tǒng)的運(yùn)行；高料位與失重稱相聯(lián)，控制失重稱的啟停，保證料倉(cāng)料位的恒定。生產(chǎn)時(shí)，粒料通過(guò)失重稱精確配比，進(jìn)入特制料倉(cāng)，經(jīng)靜態(tài)混料裝置，均勻混合層疊于料倉(cāng)中，保證擠出機(jī)進(jìn)料配比、壓力的恒定；進(jìn)入擠出機(jī)均勻一致的混合后保證熔體質(zhì)量。此喂料結(jié)構(gòu)可按原料配方要求來(lái)設(shè)置多種粒子混合。

圖1 失重稱混合配料示意圖

下料部分：料倉(cāng)內(nèi)設(shè)置有高、低料位裝置，各與失重稱、擠出機(jī)聯(lián)動(dòng)；特制料倉(cāng)中低料位是料倉(cāng)的安全報(bào)警裝置，當(dāng)料位低于此料位時(shí)，會(huì)發(fā)出報(bào)警，如不及時(shí)處理，將在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)停止擠出系統(tǒng)的運(yùn)行；高料位與失重稱相聯(lián)，控制失重稱的啟停，保證料倉(cāng)料位的恒定。失重稱的下料量及下料占比可根據(jù)工藝的變化通過(guò)通訊從上位機(jī)進(jìn)行給定，下料量也可通過(guò)失重稱自帶的操作屏輸入。

1.3 可靠性與先進(jìn)性

此方案無(wú)二次造粒；即保證了原料配方一致性，又保證了混料的均勻性，減少了原料熔融指數(shù)的變化，提高了產(chǎn)品性能，避免了常規(guī)工藝生產(chǎn)中原料經(jīng)過(guò)二次造粒會(huì)造成原料的熔融指數(shù)的升高和波動(dòng)（由原來(lái)的3g/10min變?yōu)?～5g/10min）；有效減少二次再造粒帶來(lái)的雜質(zhì)和降解物，提升產(chǎn)品的成膜性和理化性能，提高隔膜膜面質(zhì)量；節(jié)省二次再造粒的設(shè)備和環(huán)節(jié)控制成本，減少了隔膜批次性的質(zhì)量波動(dòng)。

如果生產(chǎn)線采用雙螺桿擠出機(jī)，此技術(shù)方案可能更合適，當(dāng)然設(shè)計(jì)中更需注意以下兩個(gè)方面：

1）失重稱的精度：由于添加劑和母料的比例差異較大，在非堆積式進(jìn)料方式下，應(yīng)采用更高精度的失重稱以保證進(jìn)料計(jì)量的準(zhǔn)確性，保證各類粒子能夠按照配方比例連續(xù)、準(zhǔn)確進(jìn)入擠出機(jī)，才能提高混料的均勻性，從而提高隔膜品質(zhì)。

2）雙螺桿擠出機(jī)螺桿設(shè)計(jì)：應(yīng)采用合理的螺桿設(shè)計(jì)組合，以保證物料進(jìn)入的連續(xù)性和混合的均勻性；減少熔體的溫升和熔體回流，保證出口壓力的穩(wěn)定。

在控制好以上兩方面關(guān)鍵環(huán)節(jié)后，與單螺桿擠出機(jī)相比，采用雙螺桿擠出機(jī)可能具有更好的混料效果和均勻一致性，對(duì)隔膜質(zhì)量有著顯著的提高。

2 結(jié)束語(yǔ)

帶有失重稱的干法雙向拉伸鋰電池隔膜生產(chǎn)線配方喂料方式的應(yīng)用，很好的提高了擠出機(jī)壓力控制的穩(wěn)定性，使隔膜成孔更加均勻，從而提高了產(chǎn)品的品質(zhì)，經(jīng)濟(jì)效益也得以提高；但在實(shí)際生產(chǎn)中還有許多環(huán)節(jié)和因素對(duì)隔膜的質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響，需要我們觀察、分析去發(fā)現(xiàn)和調(diào)整。做好隔膜就是要做好細(xì)節(jié)；不斷改進(jìn)是提升隔膜質(zhì)量的關(guān)鍵，也是永恒的課題。

[1] 湯人望,李紅祝,王虹,于調(diào)娟,李榮年.聚丙烯纖維在電池隔膜材料生產(chǎn)上的應(yīng)用[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品,2007.196:24-26.