法國(guó)SAPHIR鋰電池極片的輥壓工序過(guò)程控制和其注意事項(xiàng)
極片在涂布、干燥完成后，活物質(zhì)與集流體箔片的剝離強(qiáng)度很低，需要對(duì)其進(jìn)行輥壓，以增強(qiáng)活物質(zhì)與箔片的粘接強(qiáng)度，以防在電解液浸泡、電池使用過(guò)程中剝落。同時(shí)，極片輥壓可以壓縮電芯體積，提高電芯能量密度，降低極片內(nèi)部活物質(zhì)、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑之間的孔隙率，降低電池的電阻提高電池性能。
一、輥壓機(jī)介紹
為了提高電池極片表面材料的密度及厚度的一致性，正負(fù)極片在涂布工序之后須進(jìn)行滾壓，此工序稱為電池極片的輥壓。目前國(guó)內(nèi)外鋰離子電池廠家均使用二輥輥壓機(jī)輥壓極片，雙輥壓機(jī)是由兩個(gè)鑄鋼壓實(shí)輥以及電機(jī)和傳動(dòng)軸組成。主流機(jī)型輥徑為500mm，輥身長(zhǎng)度為500mm～700mm，輥壓出的極片沿寬度方向的厚度一致性較差。為保證厚度一致性的精度要求，軋輥長(zhǎng)度與直徑比值往往較小，最終導(dǎo)致極片輥壓寬度較窄。
而在銅箔、鋁箔等箔材制造領(lǐng)域，箔材絕大多數(shù)由四輥輥壓機(jī)輥壓制造，表面精度能達(dá)到幾微米的同時(shí)，輥壓寬度能達(dá)到1m以上。但是當(dāng)前還沒(méi)有四輥輥壓機(jī)在極片輥壓中應(yīng)用的先例?(如果有，歡迎給我們留言補(bǔ)充)
完整的輥壓過(guò)程是將涂布完成的極片，固定于放卷機(jī)構(gòu)后，將極片正確穿過(guò)雙輥間隙，并連接收卷系統(tǒng)。開啟輥壓模式后，電機(jī)帶動(dòng)上下輥同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，收卷機(jī)構(gòu)拉動(dòng)極片將穩(wěn)步穿過(guò)輥壓間隙，最終被壓到所需壓實(shí)密度。輥壓機(jī)在非工作狀態(tài)時(shí)需要涂一層薄油層，以防其生銹，在使用前用無(wú)水乙醇將油層擦干凈，并清理收放卷機(jī)構(gòu)、自動(dòng)糾偏機(jī)構(gòu)。因此，一個(gè)優(yōu)秀的輥壓機(jī)必須包含以下八大功能模塊：
軋輥壓力調(diào)整及快速反應(yīng)功能：滾壓機(jī)兩只軋輥之間的壓力調(diào)整是提高電池極片活性物質(zhì)壓實(shí)密度的必要條件，由于涂布間歇、單雙面交錯(cuò)等因素影響，兩輥之間的壓力調(diào)整必須快速反應(yīng)。
軋輥間隙調(diào)整及準(zhǔn)確復(fù)位功能：滾壓機(jī)兩只軋輥之間的間隙調(diào)整是獲得電池極片厚度的必要條件。由于極片涂布方式變化及極片接帶的需要，兩只軋輥之間的間隙快速調(diào)整后需要準(zhǔn)確復(fù)位。
極片滾壓前后張力調(diào)整與與快速反應(yīng)功能：電池極片滾壓過(guò)程中調(diào)整前后張力可以控制電池極片的板型平整度。滾壓過(guò)程中滾壓線速度經(jīng)常發(fā)生瞬間突變，張力控制快速反應(yīng)是防止斷帶的重要手段。
軋輥無(wú)級(jí)調(diào)速與線速度同步功能：電池極片滾壓機(jī)在啟停過(guò)程中或根據(jù)工藝需要必須對(duì)兩只軋輥進(jìn)行無(wú)級(jí)變速，同時(shí)確保兩只軋輥的線速度一致。
極片滾壓溫度調(diào)整功能：調(diào)整電池極片滾壓溫度可以直接影響滾壓過(guò)程中的電池極片的變形抗力和塑性變形量。
軋輥?zhàn)冃蔚某C正功能：電池極片滾壓過(guò)程或溫度調(diào)整過(guò)程中，兩只軋輥必然存在軸向撓曲變形和徑向鼓脹變形，矯正軋輥?zhàn)冃沃苯佑绊戨姵貥O片的厚度均勻性和壓實(shí)密度均勻性。
極片滾壓過(guò)程的智能控制功能：隨著極片滾壓速度以及自動(dòng)化程度的不斷提升，自動(dòng)上下料、自動(dòng)接帶、自動(dòng)加壓、自動(dòng)調(diào)隙、在線監(jiān)測(cè)等都要求閉環(huán)控制甚至智能控制。
軋輥清潔及維護(hù)保養(yǎng)功能：電池極片滾壓過(guò)程中兩只軋輥表面粘粉是常有的事，保持輥面清潔既可以減少軋輥磨損，還可以提高電池極片表面質(zhì)量。滾壓機(jī)便于維護(hù)保養(yǎng)也是非常必要的功能。
實(shí)驗(yàn)室通常使用實(shí)驗(yàn)手動(dòng)螺旋加壓式極片軋機(jī)，通過(guò)設(shè)定輥縫值使軋輥在極片上加載壓力，沒(méi)有額外的加壓裝置。因此，一般實(shí)際壓力比較小，輥壓極片壓實(shí)密度受到限制，而且一般最大輥縫受機(jī)械裝置限制，一般不能輥壓太厚的極片。
另外，極片軋制分為冷軋和熱軋兩種方式，目前國(guó)外已經(jīng)廣泛采用熱軋的方式進(jìn)行極片軋制，而國(guó)內(nèi)還是多采用冷軋的方式,相比冷軋，熱軋有以下優(yōu)勢(shì)：
(1)去除極片的里面的水分;減少極片的內(nèi)應(yīng)力，因?yàn)樵诜智谢蚰Ｇ袝r(shí)，減少極片的內(nèi)應(yīng)力的釋放影響的不良
(2)減少極片的在軋制后的材料反彈;降低電池極片的變形抗力，有利于提高活性物質(zhì)的吸液量。
(3)由于極片在加熱過(guò)程中材料處于熔融狀態(tài)：熱軋可以增加活性物質(zhì)與流體之間的粘合力少電池在充放電循環(huán)過(guò)程中掉粉情況的發(fā)生，提高電池的循環(huán)壽命
在軋制規(guī)程方面：可分為一次軋制和多次軋制。多次軋制工藝相對(duì)復(fù)雜，但可減少極片的反彈，極片光澤度好，厚度一致性高。
二、輥壓目的
極片的壓實(shí)密度對(duì)電池的電化學(xué)性能有重要影響。在一定范圍內(nèi)，隨著壓實(shí)密度增加，活性物質(zhì)粒子間距減小，接觸面積增大，利于離子導(dǎo)電的通路和橋梁增多，在宏觀方面表現(xiàn)為電池內(nèi)部電阻降低。但若極片的壓實(shí)密度太大，活性物質(zhì)粒子之間接觸程度太緊密，電子導(dǎo)電率增加。但鋰離子通道減少或者堵塞，不利于容量的發(fā)揮，進(jìn)行放電時(shí)，極化增加，電壓降低，容量下降。壓實(shí)密度太小時(shí)，粒子間距大，鋰離子移動(dòng)通道通暢，電解液吸液能力較強(qiáng)，利于電池內(nèi)部的鋰離子移動(dòng)，但由于粒子間接觸程度不夠緊密，不利于電子進(jìn)行導(dǎo)電，在進(jìn)行放電時(shí)，易導(dǎo)致極化增加。
輥壓的必要性：極片在涂布、干燥完成后，活物質(zhì)與集流體箔片的剝離強(qiáng)度很低，此時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行輥壓，增強(qiáng)活物質(zhì)與箔片的粘接強(qiáng)度，以防在電解液浸泡、電池使用過(guò)程中剝落。
軋制的目的有以下幾點(diǎn)：
1)保證極片表面光滑和平整，防止涂層表面的毛刺刺穿隔膜引發(fā)短路;
2)對(duì)極片涂層材料進(jìn)行壓實(shí)，降低極片的體積，以提高電池的能量密度;
3)使活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑顆粒接觸更加緊密，提高電子導(dǎo)電率;
4)增強(qiáng)涂層材料與集流體的結(jié)合強(qiáng)度，減少電池極片在循環(huán)過(guò)程中掉粉情況的發(fā)生，提高電池的循環(huán)壽命和安全性能。
三、極片輥壓過(guò)程與控制
1.輥壓過(guò)程
電池極片軋制的過(guò)程是電池極片由軋輥與電池極片間產(chǎn)生的摩擦力拉進(jìn)旋轉(zhuǎn)的軋輥之間，電池極片受壓變形的過(guò)程。電池極片的軋制不同于鋼塊的軋制，軋鋼的過(guò)程是一個(gè)鐵分子沿縱向延伸和橫向?qū)捳沟倪^(guò)程，其密度在軋制過(guò)程中不發(fā)生變化;而電池極片的軋制是一個(gè)正負(fù)極板上電池材料壓實(shí)的過(guò)程。電池極片實(shí)施滾壓時(shí)，軋制力不宜過(guò)大也不宜過(guò)小，應(yīng)符合電池極片材料的特征。
I區(qū)域?yàn)榈谝浑A段：此階段中當(dāng)軋制力剛開始逐漸增加時(shí)，極片的密度便迅速增大，這是因?yàn)檫@一階段中，電極材料顆粒產(chǎn)生位移，孔隙結(jié)構(gòu)被填充，第一階段一般也被稱為滑動(dòng)階段。這一階段是三個(gè)階段中極片密度增加速率最快的階段。
II區(qū)域?yàn)榈诙A段：由于第一階段中電極材料孔隙結(jié)構(gòu)被填充，極片涂層材料的密度已經(jīng)達(dá)到定值，在第二階段中進(jìn)行極片軋制時(shí)出現(xiàn)了一定的壓縮變形阻力。與第一階段相比，該階段雖然軋制力繼續(xù)增大，但極片的密度增加速率已經(jīng)降低。從微觀上來(lái)看，這是因?yàn)樵撾A段內(nèi)極片涂層材料顆粒的位移已經(jīng)很小，但是涂層材料顆粒的大位移移動(dòng)還沒(méi)有開始。
III區(qū)域分為第三階段：當(dāng)軋制力超過(guò)一定大小后，電池極片的密度又開始隨著軋制力的增加而增加，然后增加的速率逐漸降低。這是因?yàn)楫?dāng)軋制力超過(guò)某個(gè)值時(shí)極片涂層材料顆粒的位移又逐漸開始，極片的密度又開始增加。當(dāng)軋制力增加到一定值時(shí)，由于極片涂層材料變形較為劇烈，造成加工硬化，如果此時(shí)繼續(xù)增加軋制力，極片涂層材料發(fā)生進(jìn)一步變形已經(jīng)較為困難。因此，最后隨著軋制力的繼續(xù)增加，極片的密度增加不大，增加幅度也降低下來(lái)。
2.輥壓控制
電池極片軋制的基本機(jī)理：電池極片滾壓屬于粉末軋制，其目的是提高電池極片活性物質(zhì)的壓實(shí)密度及其均勻性，提高活性物質(zhì)的附著力，提高表面粗糙度。軋制過(guò)程遵從重量不變定律。
垂直壓實(shí)與縱向延展：在軋制過(guò)程中，兩只軋輥對(duì)電池極片的壓力實(shí)際上是垂直壓力和水平壓力的合力，其大小取決于極片活性物質(zhì)的壓縮量大小和軋輥咬入角。在極片活性物質(zhì)壓縮量一定的前提下，垂直壓力和水平壓力的大小取決于兩只軋輥的咬入角，咬入角大則水平壓力大，咬入角小則垂直壓力大。壓實(shí)密度取決于垂直壓力大小，縱向延伸率取決于水平壓力大小。
極片壓實(shí)密度均勻性與表面粗糙度：假設(shè)極片涂布厚度是均勻的，則電池極片壓實(shí)密度均勻性取決于兩只軋輥之間接觸母線的平行度，其影響因素主要是軋輥同軸度、輥身圓柱度、軸承精度、設(shè)備剛性穩(wěn)定性、軋輥兩端的縫隙調(diào)整等極片滾壓表面的粗糙度取決于活性物質(zhì)顆粒大小和軋輥表面的粗糙度。
集流體延伸與活性物質(zhì)顆?；疲轰X箔或銅箔集流體在大輥徑軋輥滾壓設(shè)備上滾壓時(shí)很難延展，但是集流體上粘結(jié)的活性物質(zhì)在水平壓力的推動(dòng)下會(huì)發(fā)生滑移，進(jìn)而帶動(dòng)電池極片集流體延伸，延伸率影響了極片的平整性和導(dǎo)電性。
電池極片局部延伸壓縮與內(nèi)應(yīng)力不均：電池極片涂布經(jīng)涂布厚度存在誤差，兩只軋輥接觸母線平行度也存在誤差。為此電池極片上的活性物質(zhì)局部壓實(shí)密度并不均勻，局部延展與周邊壓縮并存造成了極片內(nèi)應(yīng)力不均勻，進(jìn)而影響了電池極片板型的平整度。
極片壓實(shí)密度、延伸率與輥頸：兩只軋輥咬入角大小直接影響了極片活性物質(zhì)的壓實(shí)密度和延伸率，而軋輥輥身直徑的大小直接決定了咬入角大小。輥徑大則咬入角小，輥徑小則咬入角大。
極片滾壓厚度反彈與滾壓速度和環(huán)境濕度：滾壓速度慢會(huì)減小極片活性物質(zhì)的彈性變形量，也就是滾壓后的厚度反彈量會(huì)變小。然而事實(shí)是當(dāng)滾壓速度提高到一定數(shù)值時(shí)，極片滾壓后的厚度反彈量反而變小，這是因?yàn)榄h(huán)境濕度造成的。活性物質(zhì)吸水量不僅影響了活性物質(zhì)的表面堿性，也影響了厚度反彈量。
極片滾壓內(nèi)應(yīng)力不均勻與張力控制：極片滾壓的過(guò)程就是壓縮變形與延展變形的過(guò)程，此過(guò)程中進(jìn)口張力影響極片的內(nèi)應(yīng)力分布，出口張力影響極片的板型平整度。
熱滾壓與極片的變形抗力：一般說(shuō)來(lái)，物質(zhì)變形抗力都會(huì)隨著溫度升高而變小，塑性變形量也會(huì)隨之增大。極片熱滾壓還有利于減少軋輥表面磨損。但就極片冷熱滾壓的比較一直沒(méi)有明顯效果，足見極片滾壓影響因素的復(fù)雜性。
四、輥壓過(guò)程中存在的問(wèn)題及解決辦法
極片厚度不均勻：引起極片滾壓厚度不均勻的因素很多，如極片涂布厚度不均勻、軋輥同軸度誤差、軋輥圓柱度誤差、軋輥接觸母線不平行、軋輥軸向撓曲變形、輥壓設(shè)備的剛性穩(wěn)定性差等等。橫向厚度不均勻,在極片輥壓過(guò)程中，常出現(xiàn)測(cè)量左右極片厚度不一致的情況。當(dāng)極片左右厚度不一致時(shí)，需首先排除極片涂布過(guò)程中的影響，當(dāng)測(cè)試未輥壓的極片左右厚度一致時(shí)，則需要對(duì)輥壓壓力進(jìn)行左右調(diào)節(jié)，以保證極片輥壓后左右壓實(shí)密度一致。在輥壓過(guò)程中要定時(shí)對(duì)極片進(jìn)行測(cè)試，以防輥壓途中壓力發(fā)生變動(dòng)?？v向厚度不均勻,有時(shí)會(huì)出現(xiàn)極片經(jīng)過(guò)輥壓后，測(cè)試極片厚度符合要求，但是在分切時(shí)又出現(xiàn)厚度增加的現(xiàn)象。此為極片的反彈現(xiàn)象，極片反彈一是極片內(nèi)部水分較多，而是輥壓時(shí)速度太快。極片反彈問(wèn)題可以通過(guò)使用熱輥工藝和控制輥壓速度解決。
極片出現(xiàn)鐮刀彎：這種情況主要是兩只軋輥接觸母線不平行或極片涂布兩邊厚度不一樣所致。由于邊緣厚度較中間部位大幾微米或十幾微米，輥壓軋輥壓力作用在極片上時(shí)，邊緣厚度大的區(qū)域承受更大的軋制力，從而導(dǎo)致極片輥壓壓實(shí)橫向密度不一致，造成了極片輥壓后翹曲嚴(yán)重，對(duì)后續(xù)的分切工藝也會(huì)產(chǎn)生不利影響?？刂坡N曲，關(guān)鍵還是要控制極片涂布質(zhì)量，通過(guò)控制漿料表面張力、泵壓、走帶速度、輥壓壓力等參數(shù)可以有效減少極片翹曲的情況。當(dāng)然，是在滿足設(shè)計(jì)要求的條件下。
極片出現(xiàn)波浪邊:這種情況主要是極片滾壓過(guò)程中延展率比較大造成的。誘因是輥身直徑小、極片滾壓前張力小、極片厚度壓縮量大、極片涂布兩邊凸起等等。當(dāng)極片在輥壓的過(guò)程中，活物質(zhì)之間相互擠壓，并對(duì)銅箔、鋁箔施加了一定的壓力，則會(huì)產(chǎn)生一定的延展。在輥壓時(shí)，沒(méi)有活物質(zhì)涂覆的部分沒(méi)有發(fā)生延展，而有活物質(zhì)的極片在輥壓力作用下產(chǎn)生延展，延展不一在外觀上形成箔帶邊緣的波浪形皺褶，平行的波浪痕跡與箔帶運(yùn)動(dòng)方向垂直。
極片表面出現(xiàn)暗條紋:這種情況主要是軋輥表面存在振紋、輥身圓柱度誤差大、前張力小且不均勻所致。
極片出現(xiàn)卷邊:這種情況就是極片延伸率過(guò)大所致。解決方法主要是加大輥身直徑、減小極片壓縮量、調(diào)整極片前后張力等。
極片出現(xiàn)斷帶:這種情況主要是張力不均勻不穩(wěn)定、缺少?gòu)埩焖夙憫?yīng)機(jī)構(gòu)、極片涂布邊緣凸起嚴(yán)重等所致。如在涂布過(guò)程中，若在極片表面留有小顆粒等質(zhì)地不均現(xiàn)象，則在輥壓時(shí)，小顆粒受到雙輥壓力，便向箔帶方向擠壓，顆粒體較軟的可被碾成粉末繼而脫落，顆粒體較硬的會(huì)擠壓箔帶，造成箔帶破孔甚至箔帶斷裂;涂布過(guò)程中，如果極片表面面密度不同，則在輥壓過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一片過(guò)輥壓而另外一片輥壓不足。在極片走帶過(guò)程中，張力控制相同的情況下，輥壓不足的地方則會(huì)出現(xiàn)部分活物質(zhì)脫落甚至斷箔的現(xiàn)象。控制收卷張力，防治大顆粒雜質(zhì)落到極片表面可以有效減少極片斷裂。
極片兩邊張力松緊不同:這種情況主要是軋輥軸線與各過(guò)棍軸線不平行所致，可調(diào)整各輥軸線平行度解決。
軋輥表面出現(xiàn)麻點(diǎn):這種情況是軋輥表面的疲勞點(diǎn)蝕，主要是軋輥材質(zhì)及熱處理金相組織不均勻，輥面抗疲勞強(qiáng)度差引起的，也和軋輥表面粗糙度有關(guān)。
極片滾壓厚度反彈:這種情況主要是極片滾壓后殘余彈性變形量大、環(huán)境濕度大所致?？梢試L試熱滾壓、慢速輥壓、高速滾壓、減低環(huán)境相對(duì)濕度等措施。
極片板型不平整:這種情況主要是由于極片滾壓變形量不均勻、前后張力小且不均勻或極片涂布厚度誤差所致。
此外還有一些操作失誤，如測(cè)量極片厚度時(shí)刮料、問(wèn)題點(diǎn)沒(méi)有及時(shí)標(biāo)記等人為失誤，可以通過(guò)加強(qiáng)培訓(xùn)提高意識(shí)來(lái)解決。
五、輥壓工藝對(duì)鋰電池性能的影響
1.輥壓對(duì)極片加工狀態(tài)的影響
輥壓后極片的理想狀態(tài)是極片表面平整、在光下光澤度一致、留白部分無(wú)明顯波浪、極片無(wú)大程度翹曲。但是，在實(shí)際生產(chǎn)中操作熟練度、設(shè)備運(yùn)行情況等都會(huì)引起部分問(wèn)題的產(chǎn)生。最直接的影響是影響極片分切，分切極片寬度不一致，極片出現(xiàn)毛刺;輥壓結(jié)果影響極片的卷繞，嚴(yán)重的翹曲會(huì)造成極片卷繞過(guò)程中極片、隔膜間產(chǎn)生較大的空隙，在熱壓后會(huì)形成某些部分多層隔膜疊加，成為應(yīng)力集中點(diǎn)，影響電芯性能。
2.輥壓對(duì)鋰電池的影響
對(duì)電池比能量、比功率的影響：根據(jù)法拉第定律電池電極通過(guò)的電量與活性物質(zhì)的質(zhì)量成正比。極片滾壓直接影響了極片活性物質(zhì)的壓實(shí)密度，直接影響電池比能量。
對(duì)電池能量密度、功率密度的影響：同樣是極片活性物質(zhì)的壓實(shí)密度直接影響了電池的能量密度和功率密度。
對(duì)電池循環(huán)壽命的影響：極片滾壓直接影響了活性物質(zhì)在電池集流體上的附著力，也就直接影響了活性物質(zhì)在電池充放電過(guò)程中的分離與脫落。進(jìn)而影響著電池的循環(huán)壽命。
對(duì)電池內(nèi)阻的影響：極片上活性物質(zhì)的壓實(shí)密度和脫落程度極大地影響著電池的歐姆內(nèi)阻和電化學(xué)內(nèi)阻，也就直接影響了電池的各種性能。
對(duì)電池安全的影響：極片上活性物質(zhì)的壓實(shí)密度均勻性，電池極片滾壓造成的表面粗糙度等都會(huì)直接影響電池負(fù)極析鋰、正極析銅、尖角放電。最終釀成安全事故。
六、總結(jié)
鋰離子電池制作過(guò)程中有很多的影響因素，解決了每道工序中可能出現(xiàn)的工藝問(wèn)題后，將直接減少對(duì)生產(chǎn)資料的浪費(fèi)，完善后續(xù)的裝配、注液、包裝等工序的品質(zhì)和效率，提高最終產(chǎn)品的品質(zhì)和一致性，降低生產(chǎn)成本，繼而使鋰離子電池產(chǎn)品具有更強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
