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》由会员分享，可在线阅读，更多相关《锂电池极片辊压工艺基础解析（11页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、锂电池极片车昆压工艺基础解析 锂离子电池极片制造-股工艺 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。 辗压是锂电池极片最常用的压实工艺， 相对丁其他工艺过程，辗压对极片 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。辗压工艺基本过程工业生产上，锂电池极片一般采用对辗机连续辗压压实， 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辗的间隙中， 在轧辗线载荷作用下涂

2、层被 压 实，从辗缝出来后，极片会发生弹性回弹导致厚度增加。因此，辗缝大小和轧 制载 荷是两个重要的参数，一般地，辗缝要小丁要求的极片最终厚度，或载荷作 用能使 涂层被压实。另外，辗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。.Pccal在轧制速度V下，极片通过辗缝时，线载荷可由式（1）计算:F/ W CLN其中，q为作用在极片上的线载荷，F为作用在极片上的轧制力，Wc为极nl片涂层 的宽度。辗压过程极片微观结构的演变 通过辗缝，极片被压实，涂层密度由初始值P变为P。 压实密度p可由cOcc计算：2式mmh为单位面积内的集流体重量，

3、其中，为单位面积内的电极片重量，EE h为EEcc 3)ph涂层集流体厚度。而压实密度与极片孔隙率相关，物理上的涂为电极片厚度， 计算，其含义为颗粒内部的孔隙和颗粒之间的孔隙在层孔隙率可由式（的 体积分数：p为涂层各组成材料平均物理真密度。其中，Ph在实际的辗压工艺中，随着轧制压力变化，极片涂层压实密度具有一定规律，2为极片涂层密度与轧制压力的关系。图极片密度图 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，孑L极片的 相对密度变化有规律。极片的密度快速增加，压力稍有增加时，隙被填充， 曲线 II 区域，为第二阶段。此阶段压力继续增加，极片经压

4、缩后，密度已增高。 孑隙已被 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，随后乂逐渐平缓下来。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，颗粒内部的孑隙也被填充，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。另外

5、，由丁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，不容易产生变形，而石墨负极硬度小，压实过程会发 生 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 由丁活性物质导电性很差，与负极相比，辗压过程引起导电剂分布变化对电子传导影响更明 显。.where 若 Ihf mood 时乳 Sellematic of raII pressing process fcr and (b) arKxk eiectrddes.Thr ccrrcsponding io

6、f the panicle ars presenti. Na(e thjt the cithade particks sphericalp.ncicle .n r Irkuii,顶jflti mil |)iessinj; pruiess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孑结构中的活性物质和导电剂进行, 而锂离 子传导主要通过多孑结构中的电解液相进行,电解液填充在多孑电极的孑隙中, 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，相当丁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

7、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相体积分数降低， 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 脱 嵌， 锂离子扩散阻力增加，电池倍率性能下降。/压，限制锂盐的扩散和离嵌入.辗压工艺参数的影响规律前面提到辗压工艺直接决定极片的多孔结构，而线载荷、速度等辗压工艺参数对 极 片微观结构到底有什么样的影响呢？德国布伦瑞克工业大

8、学研究人员 Chris Meyer 等做了相关的研究。他们研究发现，锂离子电池极片的压实过程也遵循粉末冶金领域的指数公式 （ 4）, 这揭示了涂层密度或孔隙率与压实载荷之间的关系。Pc * PCJTUI- PrMlX- *）其中，Pc.mnjt和7C可以通过实验数据拟合得到，分别表示某工艺条件下涂层能够达到的最大压实密 度 以及涂层压实阻抗。实验用正负极极片参数1表.cllr- 1|cirreotf nAUmor UurknAi pml?a o Q &mf. m : (slum dhf bfAh AhfttrdWa267 xSJ厂工LJA014 0J“ddmiTiiR wS,供 2 J,*Uk

9、 miiiMyd。&ot Mid up to LO0 flat 1D roukudiAe eaArtThH* I CmrtMuEirM 命# ifpwkidgi)5 : vM一 “、 parhelt di-ap#平瞒THftnlwi*gMTtirk #tKJU - I ?-0.A pmi*hi II* rnirtcip- str*-KllVt l&WIEIF可 1 山汗.仍 1 L.irliofiI - bmM1i vohl! T Hi !. FileI 闻 tilk wk hk : |*3 mfill 嗦icilfj31*cotidwtiAv cwbotj-fiMz Mdiehw5-pmrm

10、iMfrt57*evNCMnrul prtplulp iihodm (* nwm 址 Iby diMidil研究者对表1中所示NCM三元正极极片和石墨负极极片进行辗压实验，研究辗压工艺参数对极片涂层密度和孔隙率的影响规律。 根据材料物理真密度计算，当孔隙率为0%时，正极涂层密度应该为4.3 g/cc ,负极涂层密度应该为2.2 g/cc。而实 际上根据实验数据拟合得到了参数（见表 2）表明正极涂层达到的最 大密度约 3.2 g/cc，负极约为 1.7 g/cc。图 4 是辗压线载荷和正负极极片涂层密度的关系， 不同的载荷和辗压线速度条件 下采集实验数据点，然后采用指数方程（4）对数据进行拟合，

11、得到相应的方程 拟 合参数，列入表 2 中。表示为涂层的压实阻抗，较低值表明随着线载荷增加， 涂层 密度能够较快达到最大值，而较高的阻抗值表明涂层密度较慢达到最大值。从图 4 和表 2 中可见，辗压速度对涂层密度影响较小，较小的速度导致涂层密 度略 微增加。另外，正负极极片的压实过程差异大，正极极片压实阻抗大约为负 极的一 倍多，这是由丁正负极材料特性差异引起的， 正极颗粒硬度大，压实阻抗 大，而负 极颗粒硬度小，压实阻抗小，更容易辗压压实。图 4 线载荷与正负极极片涂层压实密度的关系表 2 不同辗压工艺条件下拟合得到的参数值Mt M Ebrttnn 淄 durMLii*tonmMv .m n

12、unlunisE roflLDrfl uLMMTll 内 n fFi mH1 A4+ 0 D1 S14 0 -CMFSfi主。丽ILlLKLaul 2-UJLtKEL jdflLLA fk |_p L331士 J L Jil6A0-0S1 71 iClnr. x i o(MroaAMcebn rvuvtnrf W291 95144 k242 AffTKunursM中啊 4目 7此外，从孔隙结构角度分析辗压工艺的影响。电池极片涂层的孔隙主要包含两类： 颗粒材料内部的孔隙，尺寸为纳米-业微米级；颗粒之间的孔隙，尺寸为微米级。图 5是不同辗压条件下正负极极片中孔径分布情况，首先很明显可以看到极片压实

13、可 以减小孔径尺寸并降低孔隙含量。随着压实密度增加，与正极相比，负极孔径尺寸 更明显降低，这是由丁负极涂层压实阻抗低更容易被辗压压实。同时数据表明辗压速度对孔隙结构的较小。图5不同辗压条件下孔径分布从涂层的孔隙率角度考虑，辗压线载荷与涂层孔隙率之间也可以通过指数方程拟 合得到规律，图6是线载荷与正负极极片涂层孔隙率的关系，不同的线载荷作用下 对正负极极片进行辗压，通过物理真密度计算孔隙率、同时也通过实验测量涂 层的 孔隙率，得到的数据点作图并进行线性拟合，结果如图6所示。0,9OX020040060080010001200line load七N mm 谯虹-匕图6线载荷与正负极极片涂层孔隙率的关系辗压工艺对锂电池极片微观结构影响巨大，特别是对多孔结构，因此，辗压工艺强 烈影响电池性能。总之，在锂电池技术研究与开发中，我们同样需要特别关注 制造 工艺。