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一文读懂锂电池极片辊压工艺基础

导读: 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。

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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。辊压是锂电池极片最常用的压实工艺,相对于其他工艺过程,辊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,充分认识和理解辊压压实工艺过程是十分重要的。

辊压工艺基本过程

工业生产上,锂电池极片一般采用对辊机连续辊压压实,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辊的间隙中,在轧辊线载荷作用下涂层被压实,从辊缝出来后,极片会发生弹性回弹导致厚度增加。因此,辊缝大小和轧制载荷是两个重要的参数,一般地,辊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,辊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。

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图1极片辊压过程示意图

在轧制速度Vcal下,极片通过辊缝时,线载荷可由式(1)计算:

qL = FN / WC

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,Wc为极片涂层的宽度。

辊压过程极片微观结构的演变

通过辊缝,极片被压实,涂层密度由初始值ρc,0变为ρc。压实密度ρc可由式(2)计算:

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(2)

其中,mE为单位面积内的电极片重量,mC为单位面积内的集流体重量,hE为电极片厚度,hC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εc,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:

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(3)

其中,ρph为涂层各组成材料平均物理真密度。

在实际的辊压工艺中,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。

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图2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,密度已增高。孔隙已被填充,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,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。

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