值得一看的锂电池极片辊压技术精华

来源:诺信电子   2019-09-17  阅读数:

锂锂电池极片滚压技术

锂锂电池极片滚压技术

1、滚压对性能的影响

滚压对锂锂电池性能的影响

  1.1 对锂电池比能量、比功率的影响:根据法拉第定律锂电池电极通过的电量与活性物质的质量成正比。极片滚压直接影响了极片活性物质的压实密度,直接影响锂电池比能量。

  1.2 对锂电池能量密度、功率密度的影响:同样是极片活性物质的压实密度直接影响了锂电池的能量密度和功率密度。

  1.3 对锂电池循环寿命的影响:极片滚压直接影响了活性物质在锂电池集流体上的附着力,也就直接影响了活性物质在锂电池充放电过程中的分离与脱落。进而影响着锂电池的循环寿命。

  1.4 对锂电池内阻的影响:极片上活性物质的压 实密度和脱落程度极大地影响着锂电池的欧姆内阻和电化学内阻,也就直接影响了锂电池的各种性能。

  1.5、对锂电池安全的影响:极片.上活性物质的压实密度均匀性,锂电池极片滚压造成的表面粗糙度等都会直接影响锂电池负极析锂、正极析铜、尖角放电。最终酿成安全事故。

2、滚压设备的基本功能

锂锂电池滚压设备的基本功能

  2.1 轧辊压力调整及快速反应功能:滚压机两只轧辊之间的压力调整是提高锂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。

  2.2 轧辊间隙调整及准确复位功能:滚压机两只轧辊之间的间隙调整是获得锂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。

  2.3 极片滚压前后张力调整与与快速反应功能:锂电池极片滚压过程中调整前后张力可以控制锂电池极片的板型平整度。滚压过程中滚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。

  2.4 轧辊无级调速与线速度同步功能:锂电池极片滚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-致。

  2.5 极片滚压温度调整功能:调整锂电池极片滚压温度可以直接影响滚压过程中的锂电池极片的变形抗力和塑性变形量。

  2.6 轧辊变形的矫正功能:锂电池极片滚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锂电池极片的厚度均匀性和压实密度均匀性。

  2.7 极片滚压过程的智能控制功能:随着极片滚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。

  2.8 轧辊清洁及维护保养功能:锂电池极片滚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,还可以提高锂电池极片表面质量。滚压机便于维护保养也是非常必要的功能。

3、锂锂电池滚压设备的关键技术

锂锂电池滚压设备技术

  3.1 锂电池极片轧辊的抗磨损技术:锂电池极片滚压基本上属于粉末轧制,轧辊的主要失效形式是磨粒磨损和镶嵌磨损。提高抗磨粒磨损的主要技术是合金材料的耐磨性能和抗疲劳强度;抗镶嵌磨损的主要技术是硬度均匀性和抗疲劳点蚀。轧辊表面粗糙度对轧辊磨损也非常重要。轧辊磨损不仅影响生产效率、成本,也影响锂电池自放电率甚至安全。轧辊制造涉及材料冶炼、热处理以及机械加工等多种关键技术。

  3.2 锂电池极片轧辊变形的矫正技术:锂电池极片滚压过程中两只轧辊存在轴向挠曲变形和径向鼓胀变形两大问题。轴向挠曲变形矫正主要技术有外力反变形矫正、轧辊形状矫正、轧辊结构矫正以及辊压方式矫正;径向鼓胀变形矫正主要技术是轧辊受热均匀和冷却均匀技术。

锂锂电池滚压设备技术

  3.3 锂电池极片轧辊闭环调压及快速响应技术:由于锂电池极片涂布工艺的技术要求,滚压经常遇到极片横向间歇涂布、单双面交错涂布。为获得极片活性物质的压实密度均匀性,必须应用轧辊压力闭环控制及快速响应技术。

  3.4 锂电池极片轧辊闭环调隙及精确复位技术:不同规格、不同材料的锂电池极片厚度大多是不同的。随着MES系统的推广应用、极片涂布工艺的变化以及断带接带的要求,轧辊之间闭环调隙及精确复位技术十分重要。

  3.5 锂电池极片滚压张力闭环控制技术与滚压包角:控制锂电池极片的平整性、内应力分布均匀性、延展率以及断带率。关键是滚压过程中控制锂电池极片前后张力大小、支点、滚压包角等关键技术。

  3.6 锂电池极片轧辊精度及抗变形技术:控制锂电池极片面密度均匀性、防止枝晶以及尖角放电发生,关键是提高锂电池极片轧辊的尺寸精度、形状精度、位置精度以及表面粗糙度;提高锂电池极片轧辊的抗变形能力。

锂锂电池滚压设备技术

  3.7 锂电池极片滚压设备精度及刚性稳定性:控制锂电池极片面密度均匀性、防止枝晶以及尖角放电发生,除了轧辊关键技术外,锂电池极片滚压设备的结构、零部件加工与选购、整机装配技术、电控系统都非常关键。

  3.8 锂电池极片滚压环境的控制技术:锂电池极片滚压环境主要指环境湿度和洁净度,这是很容易被忽视的重要问题。三元材料(尤其是高镍三元材料)、钛酸锂材料的吸水性能非常好,吸水后材料表面碱性增大,锂电池性能恶化;粉尘对锂电池自放电率的影响也不容忽视。

4、锂锂电池滚压设备的设计与制造

锂锂电池滚压设备的设计与制造

  4.1 锂电池极片滚压设备经历了代用品、通用品、专用品的发展阶段,目前正进入服务品发展的初期。前三个阶段的本质是产品制造,也就是要什么给什么甚至是给什么只能要什么的制造。目前进入服务制造阶段,也就是要解决什么问题能解决什么问题的服务制造。

  4.2 重视使用技术的研究,系统分析需要解决的问题。锂电池极片涂布有横向间歇、单双面交错、连续、纵向间歇等涂布方式。正负极片有不同面密度,材料有不同晶体结构,幅宽有不同尺寸等等,锂电池极片滚压设备需要有针对性的设计开发。

  4.3 极片轧辊的设计与制造。轧辊材质、冶炼方式、热处理方式的选择;轧辊结构、辊面粗糙度的设计、制造、及检测。

锂锂电池滚压设备的设计与制造

  4.4 滚压机牌坊的设计与制造。短变应力线的设计与计算、实现结构的优化设计与加工工艺。

  4.5 动力传输方式的设计与制造。双电机减速器直驱方式、单电机减速器加齿轮箱分轴驱动。

  4.6 消隙结构的设计与制造。设计轴承消隙及轧辊轴向反挠曲变形的实现方式与制造工艺。

  4.7 调隙方式的设计与制造。目前常见的滚压设备调隙方式有斜铁调隙及蜗轮蜗杆调隙。

  4.8 加压方式及快速响应的设计与制造。目前常见的滚压设备加压方式有蜗轮蜗杆加压、液压缸加压、气液增压快速反应、弹簧快速反应。

  4.9 张力控制系统的设计与制造。磁粉离合器、磁粉制动器、伺服电机、传感器等张力闭环控制系统。张力支撑点及滚压包角的设计与制造。

  4.10 在线监测系统的设计与制造。锂电池极片的生产品质和效率要求越来越高,极片厚度均匀性、露箔、气孔、掉粉等

缺陷的检测频率也相应提高,在线监测势在必行。如无触点激光检测、放射线检测等等。

  4.11 切边、除尘、清洁系统的设计与制造。极片滚压后切边、刷分除尘、辊面清洁的机构设计与控制。

  4.12 收放卷系统的设计与制造。为提高效率,极片自动上下卷料备受重视,实现机构与控制、自动断带、接带的设计

与制造。

  4.13 环境湿度与洁净度控制系统的设计与制造。极片滚压环境控制在锂电池制造过程中尚未引起高度重视,控制一致性很难保证也很难提高。控制环境小型化封闭化势在必行。

  4.14 滚压设备的装配与调试。极片滚压设备是一一个系统工程,绝不是零部件的简单组合,装配的关键在配、在调、在稳定性。

5、锂锂电池滚压过程与控制

锂锂电池滚压过程与控制

  5.1 锂电池极片滚压的基本机理:锂电池极片滚压属于粉末轧制,其目的是提高锂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。滚压过程遵从重量不变定律。

  5.2 垂直压实与纵向延展。在滚压过程中,两只轧辊对锂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。

  5.3 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,则锂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。极片滚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。

  5.4 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滚压设备上滚压时很难延展,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,进而带动锂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。

  5.5 锂电池极片局部延伸压缩与内应力不均。锂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。为此锂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,进而影响了锂电池极片板型的平整度。

  5.6 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。

  5.7 极片滚压厚度反弹与滚压速度和环境湿度。滚压速度慢会减小极片活性物质的弹性变形量,也就是滚压后的厚度反弹量会变小。然而事实是当滚压速度提高到一定数值时,极片滚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。

  5.8 极片滚压内应力不均匀与张力控制。极片滚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。

  5.9 热滚压与极片的变形抗力。-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。极片热滚压还有利于减少轧辊表面磨损。但就极片冷热滚压的比较一直没有明显效果,足见极片滚压影响因素的复杂性。

6、锂锂电池滚压常见问题与解决

滚压常见问题与解决

  6.1 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。

  6.2 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。

  6.3 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。

  6.4 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。

  6.5 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。

  6.6 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。

  6.7 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。

  6.8 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。

  6.9 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。

  6.10 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。