锂电池极片辊压工艺基础解析

《锂电池极片辊压工艺基础解析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、锂电池极片辐压工艺基础解析锂离子电池极片制造一般工艺流程为：活性物质，粘结剂和导电剂等混合制备成浆料，然后涂敷在铜或铝集流体两面，经干燥后去除溶剂形成极片，极片颗粒涂层经过压实致密化，再裁切或分条。辘压是锂电池极片最常用的压实工艺,相对于其他工艺过程，辘压对极片孔洞结构的改变巨大，而且也会影响导电剂的分布状态，从而影响电池的电化学性能。为了获得最优化的孔洞结构，充分认识和理解辗压压实工艺过程是十分重要的。辐压工艺基本过程工业生产上，锂电池极片一般采用对车昆机连续车昆压压实，如图1所示，在此过程中，两面涂敷颗粒涂层的极片被送入两车昆的

2、间隙中，在轧馄线载荷作用下涂层被压实，从鶴缝出来后，极片会发生弹性回弹导致厚度增加。因此，车昆缝大小和轧制载荷是两个重要的参数，一般地，馄缝要小于要求的极片最终厚度，或载荷作用能使涂层被压实。另外，鶴压速度的大小直接决定载荷作用在极片上的保持时间，也会影响极片的回弹，最终影响极片的涂层密度和孔隙率。图1极片辘压过程示意图在轧制速度Veal下，极片通过车昆缝时，线载荷可由式（D计算:qi_=Fn/We其中，qL为作用在极片上的线载荷，Fn为作用在极片上的轧制力，We为极片涂层的宽度。辗压过程极片微观结构的演变通过馄缝，极片被压实，涂层

3、密度由初始值Pc.o变为Pc。压实密度Pc可由式（2）计算：_"Ie一mec"fc(2)7n^§Lftzint!er其中，mE为单位面积内的电极片重量，me为单位面积内的集流体重量，hE为电极片厚度，he为集流体厚度。而压实密度与极片孔隙率相关，物理上的涂层孔隙率氐ph可由式（3）计算，其含义为颗粒内部的孔隙和颗粒之间的孔隙在涂层的体积分数：Sb1一話(3)其中，Pph为涂层各组成材料平均物理真密度。在实际的车昆压工艺中，随着轧制压力变化，极片涂层压实密度具有一定规律,图2为极片涂层密度与轧制压力的关系。曲线I区域，为第一阶段。此阶

4、段压力相对较小，涂层内颗粒产生位移，孔隙被填充，压力稍有增加时,极片的密度快速增加，极片的相对密度变化有规律。曲线II区域，为第二阶段。此阶段压力继续增加，极片经压缩后，密度己增高。孔隙己被填充，浆料颗粒产生了更大的压实阻力。压力再继续提高，但极片密度增加较少。因此时浆料颗粒间的位移已经减少，颗粒大量的变形还没开始。曲线III区域，为第三阶段。当压力超过一定值后，压力增加极片密度也会继续增加，随后又逐渐平缓下来。这是因为当压力超过浆料颗粒的临界压力时,颗粒开始变形、破碎，颗粒内部的孔隙也被填充，使极片密度继续增大。但当压力继续增加，

5、极片密度的变化逐渐平缓。实际极片轧制过程的情况十分复杂。在第一阶段，粉末体的致密化虽然以浆料颗粒的位移为主，但同时也有少量的变形。在第三阶段，致密化以浆料颗粒的变形为主，同时也会存在少量位移。另外，由于正负极材料本身性质差异，正负极极片辗压过程微观结构变化也不相同。正极颗粒材料硬度大，不容易产牛变形，而石墨负极硬度小，压实过程会发牛塑性变形，如图3所示。中等程度的压实会减轻石墨的塑性变形量，锂离子嵌入和脱出阻力更小，电池循环稳定性更好。而载荷过大可能导致颗粒破碎。正极极片中由于活性物质导电性很差，与负极相比，辘压过程引起导电剂分布变

6、化对电子传导影响更明显。(a)(b)Fig,3.Schematicofrollpressingpr(xessfor(a)cathodeand(b)anodeelectrodes・【Tiecorrespondingimagesoftheparticlearepresented.Notethatthecathodeparticlesmaintainsphericalshape・whereastheanodeparticlesaredefo门广"話p卡胃润戌名百;afterrollpressingprocess・图3正负极极片辗压颗粒位移

7、和变形示意图压实密度对电化学性能的影响在电池极片中，电子传导主要通过多孔结构中的活性物质和导电剂进行，而锂离子传导主要通过多孔结构中的电解液相进行，电解液填充在多孔电极的孔隙中，锂离子在孔隙内通过电解液传导，锂离子的传导特性与孔隙率密切相关。孔隙率越大，相当于电解液相体积分数越高，锂离子有效电导率越大。而电子通过活物质或碳胶相等固相传导，固相的体积分数，迂曲度乂直接决定电子有效电导率。孔隙率和固相的体积分数是相互矛盾的，孔隙率大必然导致固和体积分数降低，因此，锂离子和电子的有效传导特性也是相互矛盾的。一方面，压实极片改善电极中颗粒在

8、之间的接触，以及电极涂层和集流体之间的接触面积，降低不可逆容量损失接触内阻和交流阻抗。另一方面，压实太高，孔隙率损失，孔隙的迂曲度增加，颗粒发生取向，或活物质颗粒表面粘合剂被挤压，限制锂盐的扩散和离嵌入/脱嵌，锂离子扩散阻力增加，电池