柏任流，虎恩賽，羅小虎，周 靜，賀銀菊

（黔南民族師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，貴州 都勻 558000）

鋰離子電池輥壓工藝在鋰離子電池生產(chǎn)中至關(guān)重要，其目的使涂布后的極片柔韌性增強(qiáng)，使活性物質(zhì)與載體（銅箔和鋁箔）間的粘結(jié)性增強(qiáng)，在工藝范圍內(nèi)控制極片厚度在，增強(qiáng)導(dǎo)其導(dǎo)電性。輥壓設(shè)備的選取、輥壓厚度比例的控制對鋰離子電池容量、內(nèi)阻、安全性能和電池一致性等電性能有很大影響。為此，作者利用指導(dǎo)學(xué)生參與江西迪比科公司專業(yè)實習(xí)的機(jī)會，總結(jié)出了優(yōu)化輥壓工藝的措施，希望能為鋰離子電池生產(chǎn)企業(yè)提供參考，以便優(yōu)化生產(chǎn)工藝，降低生產(chǎn)成本，提高鋰離子電池性能。

1 輥壓工藝對后續(xù)工藝的影響

鋰離子電池生產(chǎn)分為配料、涂布、輥壓、分條、制片、卷繞、封裝、化成、二封、分容、包裝等多個工序，各個生產(chǎn)工藝聯(lián)系緊密，對電池綜合性能和品質(zhì)起著至關(guān)重要的作用。輥壓工藝是鋰離子電池生產(chǎn)工藝中的重要環(huán)節(jié)，該工藝異常較多，很難把握，經(jīng)常有斷帶、打皺、麻點和鼓邊等問題，對后續(xù)生產(chǎn)工藝和電池性能都有很大影響。

1.1 對分條工藝的影響

分條是輥壓工藝后的第一個工藝，輥壓后極片收卷松緊程度直接影響分條效果，輥壓后收卷太松，分條的放卷張力不均勻易產(chǎn)生極片斷帶，分切面出現(xiàn)毛刺或波浪邊，影響分切效果，造成極片損失。輥壓厚度決定極片的壓實密度，對極片進(jìn)行輥壓能有效增強(qiáng)活性物質(zhì)與載體之間的剝離強(qiáng)度，使極片柔韌性增強(qiáng)，保證分條均勻。

1.2 對制片工藝的影響

對輥時，由于對輥機(jī)的不穩(wěn)定性以及涂布時面密度會有變化，輥壓厚度也會隨時改變，因此，需要按照工藝要求對極片厚度進(jìn)行測量，及時根據(jù)厚度變化調(diào)整輥縫和壓力。對極片進(jìn)行輥壓能使極片柔韌性增強(qiáng)，在制片過程中減少斷帶和膠紙脫落。經(jīng)常對軋輥進(jìn)行擦拭，能減小制片過程中異常情況的發(fā)生。

1.3 卷繞工藝的影響

輥壓厚度對卷心厚度有直接影響，輥壓厚度太厚或者太薄都有可能導(dǎo)致卷心厚度不達(dá)標(biāo)而造成損失。其次，壓實密度過高，降低了極片柔韌性，在卷繞時易斷片，造成損失。提高輥壓厚度一致性有利于正負(fù)極片及極片與隔膜之間的充分接觸，減少電池內(nèi)部阻抗。輥壓工藝中產(chǎn)生的鼓邊、麻點等情況也會導(dǎo)致卷芯厚度不一致，甚至刺破隔膜導(dǎo)致電池內(nèi)部短路。

1.4 對封裝工序的影響

輥壓厚度對封裝有一定影響，電芯厚度受輥壓工藝影響較大，電芯太厚易導(dǎo)致電池?zé)o法封裝，即使能封裝也不在工藝范圍而不合格完成損失。輥壓時若壓實密度過高，降低極片柔韌性甚至極片脆片，造成壓芯時卷芯內(nèi)部掉粉或極片斷裂，導(dǎo)致電芯短路而報廢。而對于圓柱電池，卷繞后的卷芯需要進(jìn)一步放入鋼殼內(nèi)，輥壓厚度直接影響電芯入殼率。

1.5 對注液及化成的影響

合適的輥壓厚度能夠更好的控制鋰離子電池注液量。研究表明，鋰電極與電解質(zhì)接觸后，立即在電極表面形成固體電解質(zhì)相界面(SEI)膜[1]。SEI膜的形成在很大程度上降低了電池內(nèi)部副反應(yīng)的發(fā)生，從而使電池安全性能和循環(huán)壽命有效提高。SEI膜是電解液中的各種成分與鋰鹽發(fā)生反應(yīng)生成的，壓實密度對其厚度和性質(zhì)影響很大，對極片進(jìn)行輥壓能有效減少鋰鹽的消耗，即減少不可逆容量的損失，也能提高SEI膜的性能。此外，活性顆粒吸液速率受壓實密度影響較大，壓實密度過高，電解液吸收速率和吸收量都會降低，壓實密度過低，則導(dǎo)致電芯吸液過多發(fā)生膨脹，產(chǎn)生大量鋰枝晶[2]，鋰離子電池各方面性能都會降低。

2 輥壓對鋰離子電池性能的影響

2.1 壓實密度對電池容量的影響

鋰離子電池被稱為搖椅電池，其主要是以鋰離子在鋰化合物材料和碳材料空隙中的嵌入和脫出實現(xiàn)充放電，壓實密度決定著活性物質(zhì)的孔隙分布，即壓實密度對鋰離子電池電池的容量有直接影響。王麗君[3]等研究表明，鋰離子電池正負(fù)極活性顆粒壓實密度過小，活性物質(zhì)之間的空隙非常大，各種成分之間的接觸不充分，從而使極片整體的導(dǎo)電性能降低；壓實密度過大，活性物質(zhì)的空隙變少，鋰離子在活性物質(zhì)中的可脫嵌通道減少，電池的容量也隨之減小。因此，將壓實密度控制在最合適范圍內(nèi)能夠有效提高電池整體性能。

2.2 壓實密度對循環(huán)性能的影響

在極片碾壓過程中，壓實密度過高，雖然增加了粒子間的接觸，增強(qiáng)了電池充放電過程中電子導(dǎo)電性，但減小了離子遷移通道或使遷移通道堵塞，降低電池容量，增加極化，造成電池電壓下降，容量衰減，循環(huán)性能降低；壓實密度過低，極片有較高的孔隙率，部分活性顆粒直接被絕緣而不能參與電池反應(yīng)，導(dǎo)致電池放電容量降低，內(nèi)阻增大，后續(xù)循環(huán)性能差。壓實密度過大，活性顆粒間的空隙變小，電池的導(dǎo)電性能明顯提高，但是由于空隙過小，導(dǎo)致電解液不能很好的滲透到電池內(nèi)部，鋰離子的傳輸效率降低，電池循環(huán)性能降低，且隨著循環(huán)次數(shù)的增加，電解液在活性物質(zhì)表面的氧化分解，使得涂層內(nèi)部的未反應(yīng)區(qū)域加大，電池極化增大，容量衰減加劇。

2.3 輥壓對內(nèi)阻的影響

研究表明，無論正負(fù)極片，壓實密度增大能有效降低電池內(nèi)阻，在原料和生產(chǎn)工藝相同的情況下，壓實密度增大，活性顆粒間的距離相對縮短，接觸幾率增大，導(dǎo)電通道增多，電池內(nèi)阻抗降低，內(nèi)阻減小。對于正極極片，電池的平均內(nèi)阻隨著輥壓厚度增大先緩慢增大，然后減小，其原因是正極極片剛開始未輥壓緊密，活性物質(zhì)間的空隙較大，部分區(qū)域相對絕緣，即內(nèi)阻也較大，隨著壓實密度的增大，活性顆粒間的空隙變小，接觸良好，電子傳輸距離變短，內(nèi)阻也隨之減小。正負(fù)極片在輥壓過程中，由于張力不均勻產(chǎn)生打皺、鼓邊和麻點等異常情況也會使電池內(nèi)部局部內(nèi)阻增大甚至短路。

2.4 輥壓對安全性能的影響

鋰離子電池的安全性能是電池生產(chǎn)行業(yè)中面臨的重大問題所在。在動力汽車領(lǐng)域，由于鋰電池的起火、爆炸和產(chǎn)生有害氣體等安全問題時有發(fā)生，直接影響消費者的生命財產(chǎn)安全。影響鋰離子電池安全性能的因素很多，來自輥壓工藝的情況不可忽視。輥壓過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)麻點、鼓邊、打皺等異常情況，直接導(dǎo)致極片顆粒分布極不均勻，使電池內(nèi)部局部電阻過高，循環(huán)使用時易自燃和爆炸。鋰離子電池的輥壓厚度也是影響安全性能的重要因素，輥壓厚度太小，易使極片活性物質(zhì)顆粒破碎，減小空隙率和電解液的浸潤效果從而使電池內(nèi)阻增大甚至局部短路，副反應(yīng)程度增加，產(chǎn)熱量和有害氣體隨之增加，安全性能降低。

2.5 對電池一致性的影響

電池一般是以電池組的形式工作，輥壓過程中，極片的凸點和麻點是電池一致性影響因素的重要來源，由于極片的凸點等情況，電池內(nèi)部局部電阻過大，產(chǎn)生極化，電池組充放電的一致性降低。軋制力、極片寬度以及軋輥的輥徑都會對軋輥的撓度變形產(chǎn)生影響，軋制力變大,軋輥本身的變形也在逐漸增大,由于軋輥兩端軸頸承受軋制力,引起軋輥撓度變形增大,最終導(dǎo)致極片截面厚度差也隨之增大;當(dāng)增大極片寬度即增大靜態(tài)軋制面積時,軋輥受力集中程度在逐漸減小,因此輥身總變形也在逐漸減小;輥徑變大,輥身的變形將變小,極片厚度均勻性變好。在動力鋰離子電池工業(yè)化生產(chǎn)中，極片輥壓厚度波動在0mm～0.009mm不影響電池一致性和整體性能的發(fā)揮。

3 輥壓工藝優(yōu)化措施建議

3.1 采用多次輥壓工藝

研究表明，采用多次輥壓能在一定程度上有效提高輥壓效果。由于一次輥壓易將活性顆粒壓碎，且極片不同位置的活性物質(zhì)孔徑大小也不一致，輥壓均勻性較差，影響電池性能；采用二次輥壓不但能能有效保護(hù)活性顆粒，又能提高極片孔徑均勻分布，從而能夠有效提高電池的整體性能。對于正極，由于反彈程度不大，二次輥壓效果不顯著，多數(shù)企業(yè)采用一次輥壓，對于石墨負(fù)極，由于輥壓后反彈較大，采用二次輥壓能有效提高輥壓效果，增強(qiáng)電池性能。

3.2 加強(qiáng)對輥壓設(shè)備的護(hù)理

輥壓機(jī)在工作過程中損耗較大，輥面容易磨損，長期使用會使軋輥表面凹凸不平，影響輥壓后極片厚度均勻性，定期對軋輥進(jìn)行打磨和矯正能有效提高輥壓效果。在輥壓過程中，軋輥長期工作易導(dǎo)致輥壓機(jī)溫度升高，因此考慮在輥壓機(jī)上安裝風(fēng)扇或者適當(dāng)停機(jī)休息。

3.3 完善輥壓工藝操作

在輥壓生產(chǎn)工藝中，工作前需要使用丙酮溶液對軋輥進(jìn)行全面擦拭，以減少雜物帶入，對極片造成污染。在輥壓工作時，使用丙酮溶液定時對軋輥進(jìn)行擦拭，防止極片粘輥和麻點產(chǎn)生。定時測量輥壓厚度，適當(dāng)加大采樣點數(shù)和范圍，及時調(diào)整輥縫和壓力，將厚度控制在工藝范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

鋰離子電池輥壓工藝在整個生產(chǎn)工藝中起著至關(guān)重要的作用，對后續(xù)工藝生產(chǎn)流程有一定影響，特別對分條、制片、封裝和注液化成影響較大；控制好合適工藝的壓實密度和極片的反彈比例，增強(qiáng)極片的柔韌性是后續(xù)工藝順利進(jìn)行的前提保障。將正負(fù)極片進(jìn)行輥壓不但能使電芯尺寸工藝控制在工藝范圍，還能降低電池內(nèi)阻，提高電池能量密度和安全性能。