鋰電池極片輥壓技術探討

付春慧 高榮良 李青松

摘 要：鋰離子電池生產工序中，輥壓是極片最常用的壓實工藝，相對于其他工藝過程，輥壓對極片孔洞結構的改變巨大，且會影響導電劑在極片敷料區的分布狀態，從而影響電池的電化學性能。通過總結鋰電池極片輥壓技術、制造過程中輥壓設備的注意事項，進而探討輥壓調試過程中各類問題解決方案。

關鍵詞：鋰電池;輥壓機;極片;壓實密度;撓曲變形;調試

一、引言

鋰離子電池作為目前應用最為廣泛、商業化程度最高的二次電源，廣泛用于汽車行業、儲能行業、軍工行業等。鋰離子電池的主要生產工序包括：配料、涂布、輥壓、分切、卷繞/疊片、組裝、注液、化成、分容等。

極片的厚度一致性對動力鋰離子電池組的容量、循環壽命和安全性等有重要的影響[1]，而為實現極片厚度一致性，需對輥壓工序進行深入的研究。

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、接觸內阻和交流阻抗;另一方面，輥壓導致的極片壓實太高，也會導致孔隙率損失，孔隙的迂曲度增加，活性物質顆粒表面粘合劑被擠壓，限制了電解液的擴散和鋰離子的嵌入/脫嵌，電池的倍率性能下降，因此輥壓工藝對鋰離子電池的電性能起到關鍵影響。

輥壓對電池電性能的影響主要有以下幾點：

a、對電池能量密度的影響：根據法拉第定律，電池電極電量與活性物質的質量成正比。極片的輥壓決定了極片的壓實密度，直接影響了電池內部單位體積活性物質的含量，從而影響電池能量密度。

b、對電池循環壽命的影響：極片輥壓可影響活性物質在集流體上的附著力，而附著力直接決定了活性物質在電池充放電過程中的分離與脫落，活性物質從集流體上分離和脫落導致電池的循環壽命的衰減。

c、對電池內阻的影響：極片的壓實密度影響極片內部孔隙分布，從而影響極片中電解液的浸潤效果和電子傳導效果，因此影響著電池的內阻。

d、對電池安全性能的影響：極片壓實密度的均勻性、表面粗糙度與電池負極析鋰、正極析銅、尖角放電等有較大關系，進而影響電池的安全性能。

輥壓機主要用于電池極片軋制生產，采用閉式高強度高剛性機架，兩輥上下布局，水平輥壓，軋機專用四列圓柱輥子軸承（P5級精度），伺服電機輥縫精確調整，變頻電機驅動軋輥運轉，氣液增壓泵施壓，壓力傳感器監控系統壓力變化。輥壓機具有結構強度高，調節精度高，輥壓精度高，操作方便等，整機設計需要合理、簡捷、美觀，融可靠性、實用性與高效性于一體。

二、輥壓設備的基本功能

輥壓壓力調整及快速反應功能：輥壓機軋輥間的壓力是調節電池極片壓實密度的必要條件，由于涂布間隙、單雙面交錯等因素的影響，軋輥間的壓力調整須在極短時間內進行快速反應。

軋輥間隙調整及準確復位功能：輥壓機兩軋輥間的間隙是調節電池極片厚度的必要條件。由于極片涂布方式變化及極片連續生產的需要，兩軋輥間的間隙須快速調整并可準確復位。

輥壓張力調整與快速反應功能：極片輥壓過程中通過調節前后張力控制極片的板型平整度。輥壓過程中輥壓線速度經常發生瞬間突變，張力控制快速反應是防止斷帶的重要手段。

軋輥無級調速與線速度同步功能：輥壓機在啟停過程中或根據工藝需要對兩只軋輥進行無級變速，同時確保兩只軋輥的線速度一致。

輥壓溫度調整功能：輥壓機啟動過程中溫度可直接影響塑性變形量。

輥壓變形的矯正功能：極片輥壓的溫度影響兩只軋輥的軸向撓曲變形和徑向鼓脹變形，軋輥的變形則直接影響電池極片的厚度均勻性和壓實密度均勻性。

輥壓機的智能控制功能：隨著極片輥壓速度及自動化程度的不斷提升，自動上下料、自動接帶、自動加壓、自動調隙、在線監測等都要求進行閉環控制甚至智能控制。

軋輥的清潔及維護保養：輥壓過程中兩只軋輥表面經常發生粘粉，保持輥面清潔可減少軋輥磨損，同時可提高電池極片表面質量，因此對輥壓機進行定期清潔、維護保養非常必要。

三、輥壓設備的關鍵技術

電池極片軋輥的抗磨損技術：極片輥壓基本上屬于粉末軋制，軋輥的主要失效形式是磨粒磨損和鑲嵌磨損。提高抗磨粒磨損主要利用合金材料耐磨性能和抗疲勞強度;抗鑲嵌磨損主要從硬度均性和抗疲勞點蝕出發;軋輥磨損不僅影響生產效率、生產成本，也影響電池自放電率甚至安全性。

電池極片軋輥變形矯正技術：極片輥壓過程中兩軋輥存在軸向撓曲變形和徑向鼓脹變形 [2]。極片厚度一致性對鋰離子電池容量、循環壽命和安全性能有重要影響。軸向撓曲變形矯正主要通過外力反變形矯正、軋輥形狀矯正、軋輥結構矯正;徑向鼓脹變形矯正主要通過軋輥受熱均勻和冷卻均勻技術。

電池極片軋輥閉環調壓及快速響應技術：由于電池極片涂布工藝的技術要求，輥壓常遇到極片橫向間歇涂布、單雙面交錯涂布，為達到活性物質壓實密度的均勻性，須應用軋輥壓力閉環控制及快速響應技術。

電池極片輥壓張力閉環控制技術：通過控制極片輥壓過程的前后張力大小、支點、輥壓包角等，來達到控制極片的平整性、內應力均勻分布、延展率及斷帶率的目的。

電池極片輥壓精度及抗變形技術：電池極片壓實密度的均勻性對防止枝晶以及尖角放電發生起到關鍵作用。可通過控制軋輥的尺寸、形狀、位置精度及表面粗糙度來提高電池極片軋輥抗變能力，保證極片輥壓厚度的一致性。除了軋輥關鍵技術外，電池極片輥壓設備的結構、零部件加工與選購、整機裝配技術、電控系統也是影響因素。

電池極片輥壓環境的控制技術：極片輥壓環境主要指環境濕度和潔凈度，這是極易被忽視的重要問題。三元材料、鈦酸鋰材料的吸水性能非常好，吸水后材料表面堿性增大，加速電池性能惡化;粉塵則對電池自放電率影響較大。

四、輥壓設備的設計與制造

電池極片輥壓設備經歷了代用品、通用品、專用品的發展階段，目前正進入服務品發展的初期，特點是解決問題成為主要目的。為了系統性分析所要解決的問題，須重視技術的使用。

由于目前電池極片涂布主要是模向間歇、單雙面交錯、連續、縱向間隙等方式，正負極片可能擁有不同的面密度，不同晶體結構材料、不同尺寸幅寬等，因此輥壓設備需要有針對性的設計開發。

a、軋輥的設計與制造：包括軋輥材質、結構、輥面粗糙度的設計檢測、冶煉方式、熱處理方式等。

b、動力傳輸方式的設計與制造：雙電機減速路直驅方式、單電機減速器加齒輪箱分軸驅動。

c、間隙結構的設計與制造：設計軸承間隙及軋輥輥軸向反撓曲變形的實現方式與制造工藝。

d、調隙方式的設計與刺造：調隙方式斜鐵調隙、蝸輪蝸桿調隙的選擇。

e、加壓及快速響應的設計與制造：目前常見輥壓設備加壓方式：渦輪蝸桿加壓、液壓缸加壓、氣液增壓快速反應、彈簧快速反應。

f、張力控制系統的設計與制造：磁粉離合器、磁粉制動器，伺服電機、傳感器等張力閉環控制系統，張力支撐點及輥壓包角的設計與制造。

g、在線監測系統的設計與制造：為應對電池極片的生產品質和效率不斷提高的要求，對于在線監測極片厚度均勻性、露箔、氣孔、掉粉等缺陷的需求相應提高。如觸點激光檢測、放射線檢測等。

h、切邊、除塵、清潔系統的設計與制造：極片輥壓后切邊、刷分、除塵、輥面清潔結構設計及制造。

i、收放卷系統的設計與制造：為提高效率，自動上下卷料備受重視，包括實現機構與控制、自動斷帶、接帶的設計與制造。

j、環境溫濕度與潔凈度控制系統的設計與制造：極片輥壓環境控制在電池制造過程中尚未引起高度重視，環境控制一致性存在難保證、難提高的問題，因此控制環境小型化封閉化勢在必行。

五、輥壓過程控制

1、電池極片輥壓的基本原理

電池極片輥壓屬于粉末軋制，其目的是提高電池極片活性物質的壓實密度及均勻性，提高活性物質的附著力，降低表面粗糙度。

a、垂直壓實與縱向延展：在輥壓過程中，兩軋輥對極片的壓力實際上是垂直壓力和水平壓力的協同作用，其大小取決于極片活性物質的壓縮量大小和軋輥咬入角。在極片活性物質壓縮量一定的前提下，垂直壓力和水平壓力的大小取決于兩只軋輥的咬入角，咬入角大則水平壓力大，咬入角小則重直壓力大。而壓實密度取決于垂直壓力大小，縱向壓伸率取決于水平壓力大小。

b、極片壓實密度均勻性與表面粗糙度：在極片涂布厚度均一的條件下，電池極片壓實密度均勻性取決于兩軋輥間接觸母線的平行度。軋輥間的平行度的影響因素主要包括軋輥同軸度、輥身圓柱度，軸承精度、設備剛性穩定性，軋輥兩端縫隙調整等;而極片輥壓表面粗糙度取決于活性物質的顆粒大小和軋輥表面的粗糙度。

c、集流體延伸與活性物質顆粒滑移：鋁箱或銅箔集流體在大輥徑扎輥輥壓設備上輥壓時很難延展，但粘貼在集流體上的活性物質會在水平壓力的準動下發生位移，進而帶動電池極片集流體延伸，延伸率影響了極片的平整性和導電性。

d、電池極片局部延伸壓縮與內應力不均：極片涂布厚度若存在誤差，兩軋輥接觸母錢平行度也存在誤差。因此電池極片上活性物質在局部的壓實密度不均勻，存在局部延展與周邊壓縮，造成了極片內應力不均，進而影響了電池極片板型的平整度。

e、極片壓實密度、延伸率與輥徑：兩軋輥咬入角大小決定極片的壓實密度和延伸率，而軋輥本身直徑的大小直接決定了咬入角大小。輥徑大則咬入角小，輥徑小則咬入角大。

f、極片輥壓厚度反彈：輥壓速度慢會減小極片活性物質的彈性變形量，降低輥壓后的厚度反彈。如果輥壓速度提高到一定數值時，極片輥壓后的厚度反彈反而變小，可能是受環境濕度影響。極片中活性物質的吸水量不僅影響活性物質的表面堿性，也影響厚度反彈量。

g、極片輥壓內應力與張力控制：極片輥壓是壓縮變形與延展變形的過程，該過程中進口張力影響極片的內應力分布，出口張力影響極片的板型平整度。

h、熱壓與極片的變形抗力：一般物質變形抗力都會隨溫度升高而變小，塑性變形量也會隨之增大。熱壓利于減少軋輥表面磨損。

六、輥壓常見問題與解決

1、極片厚度不均勻

引起極片輥壓厚度不均的因素很多，如涂布厚度不均勻、軋輥同軸度誤差、軋輥圓柱度誤差、軋輥接觸母線不平行、軋輥軸向撓曲變形、輥壓設備的剛性穩定性差等。這些問題均是來料及或設備本身的問題，因此調整困難。

2、極片出現鐮刀彎

鐮刀彎主要是由兩軋輥接觸母線不平行或極片涂布橫向厚度不均造成。

3、極片出現波浪邊

波浪邊的出現主要是由極片輥壓延展較大造成，包括軋輥自身直徑小、極片輥壓前張力小、極片厚度壓縮量大、極片涂布兩邊凸起等。

4、極片表面出現暗條紋

暗條紋主要是由于軋輥表面存在振紋、軋輥圓柱度誤差較大、前張力小且不均勻所致。

5、極片出現卷邊

卷邊一般是是極片延伸率過大所致。解決方法主要通過加大輥身直徑、減小極片壓縮量、調整極片前后張力等來改善。

6、極片出現斷帶

斷帶主要是張力不均不穩定、缺少張力快速響應機制、極片涂布邊緣凸起嚴重等所致。

7、極片兩邊張力松緊不同

極片兩側張力不均主要由軋輥軸塊與各過輥軸線不平行所致，可通過調整各輥軸線平行度解決。

8、軋輥表面出現麻點

麻點一般是由軋輥表面的點蝕造成，由于軋輥材質及熱處理金相組織不均勻，輥面抗疲勞性差引起的，同時與軋輥表面粗糙度有關。

9、極片輥壓厚度反彈

輥壓厚度反彈主要是由極片輥壓后殘余變形量大、環境溫度太低所致，可通過熱壓、慢速錯壓，高速輥壓、降低環境相對溫濕度等措施解決。

10、極片板型不平整

版型不平整主要是由于極片輥壓變形量不均勻、前后張力小且不均或極片涂布厚度誤差所致。

參考文獻：

[1] 劉斌斌，杜曉鐘，王榮軍，閆時建. 動力鋰離子電池極片的輥壓工藝研究[J]. 機械科學與技術，2018（4期）：592-598.

[2] 國思茗，朱鶴.鋰電池極片輥壓工藝變形分析[J]. 精密成形工程，2017（5期）：225-229.