電池極片輥壓機原理介紹及作用說明

李青松 趙旭東

摘要：鋰離子電池的極片在涂布、干燥完成后，活物質與集流體箔片的剝離強度很低，需要對其進行輥壓，以增強活物質與箔片的粘接強度，以防在電解液浸泡、電池使用過程中剝落。同時，極片輥壓可以壓縮電芯體積，提高電芯能量密度，降低極片內部活物質、導電劑、粘結劑之間的孔隙率，降低電池的電阻從而提高電池性能。

關鍵詞：鋰離子電池;輥壓機;極片;調試

引言

鋰離子電池具有能量密度高、循環壽命長、自放電率小、無記憶效應和綠色環保等突出優勢。鋰離子電池作為性能優越的二次電源，目前市場前景廣闊，廣泛應用于儲能行業和電動汽車行業。尤其是近年來作為動力電池的市場前景越來越廣闊。

電池極片軋制設備是從軋鋼機械演變過來的，一般由機架部分、傳動部分及電控部分組成。根據機械結構與輥壓模式可將輥壓機分為：手動螺旋加壓式極片軋機、氣液增壓泵加壓式極片軋機、液壓伺服加壓式極片軋機。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。

電池極片的軋制是軋輥與電池極片之間產生摩擦力，把電池極片拉進旋轉的軋輥之間，電池極片受壓變形的過程。其目的在于增加正極或負極材料的壓實密度，合適的壓實密度可增大電池的放電容量、減小內阻、減小極化損失、延長電池的循環壽命、提高鋰離子電池的利用率。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。

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。

一、極片輥壓機原理介紹

為了提高電池極片表面材料的密度及厚度的一致性，正負極片在涂布工序之后須進行滾壓，此工序稱為電池極片的輥壓。目前國內外鋰離子電池廠家均使用二輥輥壓機輥壓極片，雙輥壓機是由兩個鑄鋼壓實輥以及電機和傳動軸組成。完整的輥壓過程是將涂布完成的極片，固定于放卷機構后，將極片正確穿過雙輥間隙，并連接收卷系統。開啟輥壓模式后，電機帶動上下輥同時轉動，收卷機構拉動極片將穩步穿過輥壓間隙，最終被壓到所需壓實密度。輥壓機在非工作狀態時需要涂一層薄油層，以防其生銹，在使用前用無水乙醇將油層擦干凈，并清理收放卷機構、自動糾偏機構。因此，輥壓機必須包含以下八大功能模塊：

（一）軋輥壓力調整及快速反應功能：滾壓機兩只軋輥之間的壓力調整是提高電池極片活性物質壓實密度的必要條件，由于涂布間歇、單雙面交錯等因素影響，兩輥之間的壓力調整必須快速反應。

（二）軋輥間隙調整及準確復位功能：滾壓機兩只軋輥之間的間隙調整是獲得電池極片厚度的必要條件。由于極片涂布方式變化及極片接帶的需要，兩只軋輥之間的間隙快速調整后需要準確復位。

（三）極片滾壓前后張力調整與與快速反應功能：電池極片滾壓過程中調整前后張力可以控制電池極片的板型平整度。滾壓過程中滾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。

（四）軋輥無級調速與線速度同步功能：電池極片滾壓機在啟停過程中或根據工藝需要必須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。

（五）極片滾壓溫度調整功能：調整電池極片滾壓溫度可以直接影響滾壓過程中的電池極片的變形抗力和塑性變形量。

（六）軋輥變形的矯正功能：電池極片滾壓過程或溫度調整過程中，兩只軋輥必然存在軸向撓曲變形和徑向鼓脹變形，矯正軋輥變形直接影響電池極片的厚度均勻性和壓實密度均勻性。

（七）極片滾壓過程的智能控制功能：隨著極片滾壓速度以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、在線監測等都要求閉環控制甚至智能控制。

（八）軋輥清潔及維護保養功能：電池極片滾壓過程中兩只軋輥表面粘粉是常有的事，保持輥面清潔既可以減少軋輥磨損，還可以提高電池極片表面質量。滾壓機便于維護保養也是非常必要的功能。

二、輥壓目的

極片的壓實密度對電池的電化學性能有重要影響。在一定范圍內，隨著壓實密度增加，活性物質粒子間距減小，接觸面積增大，利于離子導電的通路和橋梁增多，在宏觀方面表現為電池內部電阻降低。但若極片的壓實密度太大，活性物質粒子之間接觸程度太緊密，電子導電率增加。但鋰離子通道減少或者堵塞，不利于容量的發揮，進行放電時，極化增加，電壓降低，容量下降。壓實密度太小時，粒子間距大，鋰離子移動通道通暢，電解液吸液能力較強，利于電池內部的鋰離子移動，但由于粒子間接觸程度不夠緊密，不利于電子進行導電，在進行放電時，易導致極化增加。

輥壓的必要性：極片在涂布、干燥完成后，活物質與集流體箔片的剝離強度很低，此時需要對其進行輥壓，增強活物質與箔片的粘接強度，以防在電解液浸泡、電池使用過程中剝落。

軋制的目的有以下幾點：

（一）保證極片表面光滑和平整，防止涂層表面的毛刺刺穿隔膜引發短路;

（二）對極片涂層材料進行壓實，降低極片的體積，以提高電池的能量密度;

（三）使活性物質、導電劑顆粒接觸更加緊密，提高電子導電率;

（四）增強涂層材料與集流體的結合強度，減少電池極片在循環過程中掉粉情況的發生，提高電池的循環壽命和安全性能。

三、輥壓工藝對電芯的影響

（一）輥壓對極片加工狀態的影響

輥壓后極片的理想狀態是極片表面平整、在光下光澤度一致、留白部分無明顯波浪、極片無大程度翹曲。但是，在實際生產中操作熟練度、設備運行情況等都會引起部分問題的產生。最直接的影響是影響極片分切，分切極片寬度不一致，極片出現毛刺;輥壓結果影響極片的卷繞，嚴重的翹曲會造成極片卷繞過程中極片、隔膜間產生較大的空隙，在熱壓后會形成某些部分多層隔膜疊加，成為應力集中點，影響電芯性能。

（二）輥壓對鋰電池的影響

對電池比能量、比功率的影響：根據法拉第定律電池電極通過的電量與活性物質的質量成正比。極片滾壓直接影響了極片活性物質的壓實密度，直接影響電池比能量。

對電池能量密度、功率密度的影響：同樣是極片活性物質的壓實密度直接影響了電池的能量密度和功率密度。

對電池循環壽命的影響：極片滾壓直接影響了活性物質在電池集流體上的附著力，也就直接影響了活性物質在電池充放電過程中的分離與脫落。進而影響著電池的循環壽命。

對電池內阻的影響：極片上活性物質的壓實密度和脫落程度極大地影響著電池的歐姆內阻和電化學內阻，也就直接影響了電池的各種性能。

對電池安全的影響：極片上活性物質的壓實密度均勻性，電池極片滾壓造成的表面粗糙度等都會直接影響電池負極析鋰、正極析銅、尖角放電。最終釀成安全事故。

四、總結

鋰離子電池制作過程中有很多的影響因素，解決了每道工序中可能出現的工藝問題后，將直接減少對生產資料的浪費，完善后續的裝配、注液、包裝等工序的品質和效率，提高最終產品的品質和一致性，降低生產成本，繼而使鋰離子電池產品具有更強的市場競爭力。

參考文獻：

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