电池极片辊压机的介绍

                                                    电池极片辊压机的介绍

一、电池辊压机的原理
电池极片辊压机的原理是轧辊与电池极片之间产生摩擦力，把电池极片拉进旋转的轧辊之间，电池极片受压变形的过程。电池极片的辊压不同于钢块的轧制，轧钢是板材沿纵向延伸和横向宽展的过程，其密度在轧制过程中不发生变化，而电池极片的轧制是正负极片上电池材料压实的过程，其目的在于增加正极或负极材料的压实密度，合适的压实密度可增大电池的放电容量、减小内阻、减小极化损失、延长电池的循环寿命、提高电池的利用率。电池极片辊压设备是从轧钢机械演变过来的，一般由机架部分、传动部分及电控部分组成。根据机械结构与辊压模式，本文介绍三种常用的锂离子电池极片辊压机及其工艺特点：手动螺旋加压式极片辊压机、气液增压泵加压式极片辊压辊机、液压伺服加压式极片辊压机。　

二、电池辊压机的类型
1、手动螺旋加压式极片辊压机：这种辊压机由减速电机驱动高硬度压辊旋转，采用斜块式辊缝调节装置机械调整压辊间隙，使极片受压成型，增加极片密度，主要用于辊压单片的电池极片。这种设备主要应用于实验室，通过设定辊缝值使轧辊在极片上加载压力，没有额外的加压装置。因此，一般实际压力比较小，辊压极片压实密度受到限制，而且一般最大辊缝受机械装置限制，存在一个最大值，一般不能辊压太厚的极片。
2、气液增压泵加压式极片辊压机：气液增压泵加压方式电池极片辊压机采用楔铁和丝杠离线调节辊缝，不能对轧辊间隙和轧制力进行实时在线调节，能够轧制对称涂布的电池极片，这种轧机的辊缝由可变厚度的中间斜楔调整，调隙原理在轧辊两端的轴承座之间各有两块斜面相贴的调隙斜铁。通常固定其中一块较薄的称为静斜铁，移动另一块较厚的称为动斜铁，当两块斜铁在斜面方向上有相对位移时，组合出不同的厚度，进而有了不同辊缝。一般使用步进电机带动斜铁滑块运动的机构，把步进电机的旋转运动转化为轧辊之间距离的调整。在用伺服电机驱动斜铁移动时，为了能更直观看到的辊缝，所以调整斜铁到轧辊两端缝隙刚好为零，把斜铁的这个位置称为原点，并安装一个限位开关称为原点开关。
3、液压伺服加压式极片辊压机：液压伺服加压式极片辊压机是由：主机、辅助上料系统及收料系统组成，主机采用液压系统及伺服电机和传动组件及主轴（轧辊）及机架组成。辊压机开机运行由伺服电机带动整套辊压机同时传动，并由自动液压对轧辊实施加压实行电池极片的辊压目的，电池极片压到所需压实密度，再经纠偏收料完成整套电池极片辊压机的工作任务。

三、电池极片辊压的目的
获得符合设计要求的极片。什么是符合设计要求?就是要求极片的相关参数:面密度多少、压实密度多少、粘接性怎样、颗粒完整度、翘曲大小等满足电芯的设计要求。
辊压的必要性:极片在涂布、干燥完成后，活物质与集流体箔片的剥离强度很低，此时需要对其进行辊压，增强活物质与箔片的粘接强度，以防在电解液浸泡、电池使用过程中剥落。
极片通过辊压可以提高锂离子电池的容量和能量密度，同时活物质内部空隙率降低，可以降低锂离子电池的内阻，改善锂电池的循环寿命等等。
当然辊压后的极片要满足合适的压实要求，若极片压实太小极片电阻大，做出的电池内阻也高，寿命短。若极片压实过大，活物质颗粒有被压碎的风险，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，电池倍率性能下降。
1、辊压过程中存在的问题及解决办法：
1、极片断裂：在极片辊压的过程中，常常会走着走着极片突然断裂的现象，断裂不仅影响工作效率，还对后续的分切、卷绕等工序造成困扰。其原因有两点:
①在涂布过程中，若在极片表面留有小颗粒等质地不均现象，则在辊压时，小颗粒受到双辊压力，便向箔带方向挤压，颗粒体较软的可被碾成粉末继而脱落，颗粒体较硬的会挤压箔带，造成箔带破孔甚至箔带断裂。这就要求混料工艺优化，来防止颗粒团聚物的出现，保证涂布极片的外观良好。
②涂布过程中，如果极片表面面密度不同，则在辊压过程中会出现一片过辊压而另外一片辊压不足。在极片走带过程中，张力控制相同的情况下，辊压不足的地方则会出现部分活物质脱落甚至断箔的现象。控制收卷张力，防治大颗粒杂质落到极片表面可以有效减少极片断裂。
③箔材本身的问题，若箔材在制作过程中出现分条留下的裂口，那么即使在涂布过程中不断带，在辊压的张力下也会频繁出现断带，着实烦人。
2、极片翘曲严重：极片经过辊压后，有时候极片会呈较大程度的内凹外凸的现象，此种现象出现不利于极片分切、卷绕。在涂布工艺中有一个重要的问题是“厚边”，厚边现象是辊压后极片翘曲的重要原因。由于边缘厚度较中间部位大几微米或十几微米，辊压轧辊压力作用在极片上时，边缘厚度大的区域承受更大的轧制力，从而导致极片辊压压实横向密度不一致，造成了极片辊压后翘曲严重，对后续的分切工艺也会产生不利影响。控制翘曲，关键还是要控制极片涂布质量，通过控制浆料表面张力、泵压、走带速度、辊压压力等参数可以有效减少极片翘曲的情况。当然，是在满足设计要求的条件下。

3、极片横向、纵向厚度不同：横向:在极片辊压过程中，常出现测量左右极片厚度不一致的情况。当极片左右厚度不一致时，需首先排除极片涂布过程中的影响，当测试未辊压的极片左右厚度一致时，则需要对辊压压力进行左右调节，以保证极片辊压后左右压实密度一致。在辊压过程中要定时对极片进行测试，以防辊压途中压力发生变动。
纵向:有时会出现极片经过辊压后，测试极片厚度符合要求，但是在分切时又出现厚度增加的现象。此为极片的反弹现象，极片反弹一是极片内部水分较多，而是辊压时速度太快。极片反弹问题可以通过使用热辊工艺和控制辊压速度解决。热辊的好处有:
①去除极片的里面的水分
②减少极片的在轧制后的材料反弹，数据表明使用热压可以减少厚度反弹约50%
③由于极片在加热过程中材料处于熔融状态，热轧可以增加活性物质与流体之间的粘合力
④减少极片的内应力，因为在分切活模切时，减少极片的内应力的释放影响的不良
⑤降低电池极片的变形抗力，有利于提高活性物质的吸液量。
⑥可用较小的辊制力将极片压至工艺要求的厚度和面密度,最大可减少62%,一般减少35%-45%
4、极片波浪边严重：极片涂布之后，除活物质外还有部分铜铝箔外露，在极片经过辊压之后，外露的铜铝箔边出现较密集的波浪纹路。此种现象的出现会影响电芯的卷绕、热压、极耳焊接等工艺，一定要杜绝。产生波浪边的原因是:铜箔和铝箔都是利用铜铝块经过挤压压片制成的，具有很好的金属加工性和延展性。当极片在辊压的过程中，活物质之间相互挤压，并对铜箔、铝箔施加了一定的压力，则会产生一定的延展。在辊压时，没有活物质涂覆的部分没有发生延展，而有活物质的极片在辊压力作用下产生延展，延展不一在外观上形成箔带边缘的波浪形皱褶，平行的波浪痕迹与箔带运动方向垂直。附着在皱褶箔带上的活性物质易发生裂缝、凸起或脱落。设计合理的涂布面密度和辊压压实密度可以减少极片波浪边的发生。另外，辊轮不平时也会导致波浪边。
5、极片打皱：影响极片打皱的原因主要有导辊水平度和平行度，张力不均，收卷张力等。PINCH工艺主要是为了消除打皱而提出的一种工艺，通过差速拉伸，使得涂覆区和极耳区长度一致，消除打皱。在辊压的过程中，极耳区比较薄，双面涂布下是无法接触到轧辊，涂覆区受到辊的压力，两边张力不一致，一般来讲，辊径越小，极片延展越严重，褶皱越厉害。此外还有一些操作失误，如测量极片厚度时刮料、问题点没有及时标记等人为失误，可以通过加强培训提高意识来解决。

四、辊压工艺对电芯的影响
1、辊压情况对极片加工状态的影响
辊压后极片的理想状态是极片表面平整、在光下光泽度一致、留白部分无明显波浪、极片无大程度翘曲。但是，在实际生产中操作熟练度、设备运行情况等都会引起部分问题的产生。最直接的影响是影响极片分切，分切极片宽度不一致，极片出现毛刺;辊压结果影响极片的卷绕，严重的翘曲会造成极片卷绕过程中极片、隔膜间产生较大的空隙，在热压后会形成某些部分多层隔膜叠加，成为应力集中点，影响电芯性能。
2、辊压情况对电芯性能的影响
辊压过程会出现的几个典型问题是:①极片厚度不一致。厚度不一致，意味着活物质密度不一致，锂离子和电子在极片中传输、传导速率则会有所不同。当电流密度不同时，极易引起枝晶锂的析出，对电芯性能不利。此外，极片厚度不同时，活性物质与集流体之间的接触电阻也是不同的，极片越厚内阻越大，电池极化也就越严重，影响电芯容量。②极片部分位置出现过压。由于涂布时部分位置厚度过厚，辊压后则有可能出现过压的现象。过压的位置活物质颗粒出现破碎，活物质颗粒间接触紧密，在电芯充放电过程中，电子导电性增强，但离子移动通道减小或堵塞，不利于容量发挥，放电过程中极化增大，电压下降，容量减小。同时，过压后影响电解液的浸润效果，对电芯的性能也有很大的影响。

五、电池辊压机的总结
锂离子电池制作过程中有很多的影响因素，解决了每道工序中可能出现的工艺问题后，将直接减少对生产资料的浪费，完善后续的装配、注液、包装等工序的品质和效率，提高最终产品的品质和一致性，降低生产成本，继而使锂离子电池产品具有更强的市场竞争力。以上就是小编的吐血总结。