李建中

（昆山東威科技股份有限公司，江蘇 昆山 215300）

0 引言

銅箔是鋰電池負(fù)極材料的載體和集流體。據(jù)測(cè)算，銅箔約占動(dòng)力電池成本的11%，預(yù)計(jì)截至2025年，銅箔總需求將達(dá)到109 萬(wàn)噸。隨著鋰電池向高能量密度、高安全性方向發(fā)展，鋰電銅箔朝著更薄、微孔、高抗拉強(qiáng)度和高延伸率的方向發(fā)展。超薄復(fù)合銅箔順應(yīng)鋰電行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，是具有潛力的新型鋰電負(fù)極集流體材料。復(fù)合銅箔在鍍層增厚過(guò)程中采用水電鍍方式，但由于自身內(nèi)部應(yīng)力、搬運(yùn)輥加工安裝誤差等原因，在生產(chǎn)中復(fù)合銅箔常出現(xiàn)膜面松弛、向膜面中間收縮的現(xiàn)象，造成膜面起皺，因此膜面的張緊展平設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

1 復(fù)合銅箔膜面張緊展平工作原理

1.1 張緊原理

為了使復(fù)合銅箔在生產(chǎn)搬運(yùn)過(guò)程中保持張緊展平狀態(tài)，需要在此過(guò)程中將其分段，以增加其外部張力。

1.2 展平原理

針對(duì)膜面起皺問(wèn)題，采用展平輥展平膜面。不同展平輥的結(jié)構(gòu)不同，但展平原理基本相同，通過(guò)展平輥上左右對(duì)稱的螺紋結(jié)構(gòu)、中間大兩端小結(jié)構(gòu)和整軸中間彎曲弓形結(jié)構(gòu)對(duì)膜面施加與中心軸成一定角度傾斜力，對(duì)復(fù)合銅箔膜面產(chǎn)生橫向擴(kuò)展力。

2 復(fù)合銅箔膜面張緊展平設(shè)計(jì)難點(diǎn)

復(fù)合銅箔具有厚度薄和寬幅大的特點(diǎn)，因此在生產(chǎn)過(guò)程中如何保證膜面處于張緊展平狀態(tài)，同時(shí)又不引起復(fù)合銅箔張力變形和膜面開(kāi)裂斷膜，需要配合使用多種設(shè)計(jì)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)創(chuàng)新。

2.1 膜面松弛問(wèn)題

復(fù)合銅箔生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生膜面松弛，主要有以下2 個(gè)原因：① 銅箔生產(chǎn)搬運(yùn)距離長(zhǎng)，膜面外部張力與向膜面中間收縮力相互抵消；② 復(fù)合銅箔在搬運(yùn)過(guò)程中與搬運(yùn)輥摩擦，抵消部分外部張力。

2.2 膜面內(nèi)起皺問(wèn)題

在復(fù)合銅箔生產(chǎn)過(guò)程中，由于內(nèi)應(yīng)力和搬運(yùn)輥加工安裝誤差，常出現(xiàn)膜面向中間收縮的情況，造成膜面起皺。

2.3 斷膜問(wèn)題

復(fù)合銅箔生產(chǎn)過(guò)程中張力過(guò)大，引起膜線開(kāi)裂斷膜。

3 復(fù)合銅箔張緊展平設(shè)計(jì)

為保證復(fù)合銅箔電鍍均勻、膜面清洗徹底、抗氧化保護(hù)層均勻，以及烘干徹底無(wú)殘留水漬，需要對(duì)復(fù)合銅箔生產(chǎn)過(guò)程中張緊展平進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以保證復(fù)合銅箔在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中處于張緊展平狀態(tài)。

3.1 張緊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合復(fù)合銅箔材料性質(zhì)和水平傳動(dòng)特點(diǎn)，采用分段調(diào)速原理，通過(guò)設(shè)置各段傳動(dòng)速度差，分段增加復(fù)合銅箔外部張力，保證其在各個(gè)傳送段處于張緊狀態(tài)。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 復(fù)合銅箔傳送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

在結(jié)構(gòu)上，每個(gè)傳送段均采用獨(dú)立傳送系統(tǒng)，速度可無(wú)級(jí)調(diào)速。復(fù)合銅箔從放板機(jī)傳送進(jìn)入傳動(dòng)段1，經(jīng)過(guò)傳送段1 進(jìn)入張力檢測(cè)段，張力檢測(cè)段張力檢測(cè)輥（輥③）檢測(cè)復(fù)合銅箔張力。比對(duì)實(shí)測(cè)張力與預(yù)設(shè)張力，判斷傳送段1 內(nèi)復(fù)合銅箔處于松弛或張緊狀態(tài)，根據(jù)結(jié)果調(diào)整傳送段2 的傳動(dòng)速度，使傳送段1 內(nèi)復(fù)合銅箔既處于張緊狀態(tài)，又不會(huì)拉扯變形，確保復(fù)合銅箔傳送處于平整狀態(tài)。

通過(guò)調(diào)整各個(gè)傳送段速度，保證復(fù)合銅箔在各傳送段之間張緊，將復(fù)合銅箔傳送路徑設(shè)定大小S 型結(jié)構(gòu)，增加復(fù)合銅箔外部張力，保證各個(gè)傳送段內(nèi)部復(fù)合銅箔處于張緊狀態(tài)。具體原理如圖2所示

圖2 傳送輥高低落差結(jié)構(gòu)示意

由于各個(gè)傳送輥存在高低落差，使得復(fù)合銅箔在傳送段內(nèi)部形成多個(gè)大小S 型，通過(guò)各個(gè)大小S 型對(duì)復(fù)合銅箔施加外部張力，確保其在各個(gè)傳送段內(nèi)部保持張力充足狀態(tài)，復(fù)合銅箔傳送處于平整狀態(tài)。

3.2 展平結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)膜面起皺問(wèn)題，需要通過(guò)展平結(jié)構(gòu)解決。在展平結(jié)構(gòu)中，展平輥的應(yīng)用最廣，且效果最好。常用的展平輥大致可以分為4 類：左右螺紋展平輥、鼓形展平輥、邊緣展平輥和弓形展平輥。經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試，確定復(fù)合銅箔生產(chǎn)采用弓形展平輥、邊緣展平輥和鼓形展平輥。弓形展平輥外管彎曲如香蕉，內(nèi)含弓形心軸，心軸上安裝有多個(gè)規(guī)格相同、間距相等和結(jié)構(gòu)軸向?qū)ΨQ的滾動(dòng)軸承。將軸承安裝在螺旋滾道內(nèi)，通過(guò)螺旋彈片隔開(kāi)，軸承外包裹橡膠。心軸兩端采用球面軸承固定。工作時(shí)心軸固定不動(dòng)，利用傳動(dòng)皮帶驅(qū)動(dòng)使橡膠外套旋轉(zhuǎn)，并與薄膜的橫向傾斜接觸，通過(guò)扭轉(zhuǎn)心軸調(diào)整傾斜角度。弓形展平輥展平力大，調(diào)整方便，弓形量可達(dá)0～30 mm。復(fù)合銅箔在輥面包角為30°～90°可調(diào)整。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 弓形展平輥結(jié)構(gòu)示意

邊緣展平輥主要作用于復(fù)合銅箔的兩個(gè)邊緣，兩個(gè)邊緣各安裝1 組，每組采用2 個(gè)直徑50 mm、長(zhǎng)100 mm 的軟膠輥，一支輥與銅箔上膜面接觸，另一支輥與下膜面接觸。2個(gè)輥的軸線平行，與薄膜運(yùn)行的垂直方向保持一定夾角（夾角在一定范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)）。工作時(shí)2 個(gè)軟膠輥通過(guò)氣缸伸縮靠在一起，輥被膜帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，通過(guò)摩擦力對(duì)膜面產(chǎn)生2 個(gè)向復(fù)合銅箔外側(cè)橫向擴(kuò)展的張緊力，實(shí)現(xiàn)展平效果。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 2個(gè)邊緣展平輥

鼓形展平輥中間大兩端小，整個(gè)輥面成鼓形，該結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合銅箔產(chǎn)生2個(gè)向復(fù)合銅箔外側(cè)橫向擴(kuò)展的張緊力。雖輥面鼓形不變，張力大小不可調(diào)整，適應(yīng)性差，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且成本低，在對(duì)展平不需要調(diào)整的工況下被大量應(yīng)用。其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 鼓形展平輥

在生產(chǎn)過(guò)程中，在復(fù)合銅箔從放板機(jī)出、進(jìn)入傳送段1前，設(shè)置1組弓形展平，通過(guò)調(diào)節(jié)弓形展平輥拱高保證進(jìn)入傳送段1 的復(fù)合銅箔處于張緊展平狀態(tài)。在傳送段內(nèi)，各個(gè)傳送輥均采用鼓形展平輥結(jié)構(gòu)，各個(gè)鼓形輥處對(duì)復(fù)合銅箔施加橫向擴(kuò)展力，保證其處于張緊展平狀態(tài)。同時(shí)傳送出最后1段傳送段后，在復(fù)合銅箔兩側(cè)各設(shè)置1組邊緣展平輥，通過(guò)調(diào)整邊緣展平輥相對(duì)復(fù)合銅箔傳送方向角度，確保復(fù)合銅箔處于張緊展平狀態(tài)。其結(jié)構(gòu)原理如圖6所示。

圖6 復(fù)合銅箔傳送過(guò)程中展平調(diào)整示意

4 張緊展平效果

在生產(chǎn)過(guò)程中，復(fù)合銅箔采用張緊展平設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，明顯改善了復(fù)合銅箔膜面松弛、起皺的問(wèn)題。采用張緊展平結(jié)構(gòu)前后，復(fù)合銅箔膜面松弛起皺問(wèn)題比對(duì)見(jiàn)表1。

表1 復(fù)合銅箔膜面松弛起皺參數(shù)

5 結(jié)語(yǔ)

隨著復(fù)合銅箔的在儲(chǔ)能電池和動(dòng)力電池上的大規(guī)模應(yīng)用，復(fù)合銅箔的大批量生產(chǎn)成為必然趨勢(shì)。在生產(chǎn)過(guò)程中，張緊展平問(wèn)題成為首要解決問(wèn)題。通過(guò)各傳動(dòng)段采用獨(dú)立傳動(dòng)分段調(diào)速，各個(gè)傳動(dòng)段走膜路徑設(shè)計(jì)成大小S 型結(jié)構(gòu)，各個(gè)傳動(dòng)段采用弓形展平輥、邊緣展平輥、鼓形展平輥等張緊展平結(jié)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)了復(fù)合銅箔在生產(chǎn)過(guò)程張緊展平功能，確保了復(fù)合銅箔電鍍后鍍層均勻性一致、膜面清洗徹底無(wú)殘留、抗氧化涂層涂覆均勻，烘干徹底無(wú)殘留水漬、無(wú)色差。為復(fù)合銅箔大批量、高效率、綠色生產(chǎn)提供了張緊、平整、無(wú)皺褶鍍膜，使電鍍后復(fù)合銅箔良率保持85%以上。