试论锂离子电池极片的轧制及电池极片轧机

试论锂离子电池极片的轧制与电池极片轧机

——邢台朝阳机械制造有限公司 撰稿人：曹建礼 一、锂离子电池的历史沿革

人们往往把锂离子电池称为锂电池，其实锂离子电池从严格意义上讲只是锂电池的一种。而锂电池是指电化学体系中含有锂的电池，大致可分为两类：锂金属电池和锂离子电池。锂金属电池是由金属锂或铝合金为负极材料，使用非水电解质溶液的电池，其发明者为伟大的发明家爱迪生。1970年埃克森的M.S.whittingham采用硫化钛为正极材料，金属锂作为负极材料，制成首个锂电池。由于锂金属的化学特征非常活泼，使锂金属的加工、使用及保存，对环境的要求非常苛刻，因此，金属锂电池自发明后长期没有得到商业化应用。直到1982伊利诺伊理工大学（the Illtnois Institute of technology）的R.R.Agarwal和J.R.Selman发现锂离子具有嵌入石墨的特性，此过程是快递的，并且可逆。1991年，首个商用锂离子电池在日本索尼研制成功，该锂离子电池以炭材料为负极，以含锂的化合物作为正极，在充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极，而负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同理，当对电池进行放电时，嵌在负极碳层中的锂离子脱嵌，又运动回正极，回正极的锂离子越多，放电容量越高，通常所说的电池容量指的就是放电容量。随后，适合作正负极的材料也越来越多。正极材料有钴酸锂，碳酸锂，磷酸铁锂，三元材料等。负极材料有天然石墨，人工石墨，中间相碳微球，石油焦，碳纤维，热解树脂等。 二、锂离子电池的构成

锂电池分为液态锂离子电池（LIB）和聚合锂离子电池（PLB）二类。从结构上讲，锂离子电池由锂离子电芯、电解液、保护电路（PCM）及外壳部分组成。电芯则由正极、负极以及隔膜组成。正极的组成部分为正极材料（如磷酸铁锂）+导电剂+粘合剂（PVDF）+集流体（铝箔），负极的组成部分为石墨+导电剂+增稠剂（CMC）+粘结剂（SBR）+集流体（铜箔）。正极和负极在业界内一般称为电池极片，为了提高电池极片表面材料的密度及厚度的一致性，正负极片在涂布工序之后须进行滚压，此工序称为电池极片的轧制。 三、锂离子电池极片的轧制

电池极片轧制的过程是电池极片由轧辊与电池极片间产生的摩擦力拉进旋转的轧辊之间，电池极片受压变形的过程。电池极片的轧制不同于钢块的轧制，轧钢的过程是一个铁分子沿纵向延伸和横向宽展的过程，其密度在轧制过程中不发生变化；而电池极片的轧制是一个正负极板上电池材料压实的过程，其目的在于增加正极或负极材料的压实密度，合适的压实密度可增大电池的放电容量，减小内阻，减小极化损失，延长电池的循环寿命，提高锂离子电池的利用率。经过试验，合适的正极材料压实密度约在2.8g/cm3?3.4g/cm3之间，负极的约为

1.5g/cm3。但压实密度的过大或过小时，不利锂离子的嵌入或脱嵌。因此，电池

极片实施滚压时，轧制力不宜过大也不宜过小，应符合电池极片材料的特征。极片过压后，一般会出现极片上的材料剥落、粘辊、极片表面平直度差、极片硬化、吸液性差不良现象，导致极片分切时毛刺出现几率大、微短路、低电压、负极表面金属锂的析出和电池容量比下降等不良现象。因此，电池极片的轧制须满足下列几个条件：1、降低极片在轧制过程中的延伸量和宽展量，并减少微孔架构的破坏；2、保证极片轧制厚度一致性及极板平整度；3、减少极片在轧制后表面材

料的反弹率。4、合适的轧制力。目前，轧制力的大小一般为经验值，由各厂家经试验给出。

电池极片轧制的辅助措施一般为给极片施加一定的张力及给电极片实施热轧。在轧制过程中给极片施加一定的张力，可改变极片的塑性曲线斜率，使在不改变辊缝的情况下，保持极片轧后其厚度的一致性。 四、影响电池极片轧机辊压精度的主要因素

影响电池极片轧机轧制厚度的因素主要有以下几项： 1）轧制力 2）机座的刚度

3）轧辊因弯曲力和剪切力而引起的挠度 4）轧辊的形位公差精度 5）轧辊的弹性压扁 6）电池极片的原始厚度 7）轧制中心线的一致 8）张力 9）轧制温度 10）轧制速度

下面就以上影响电池极片辊压精度的主要因素简单分项论述一下。 轧制压力，是电池极片受压变形时电池极片作用于轧辊上总压力的垂直分量。实验证明，单位压力在变形区内的分布是不均匀的，且不便计算。因此，要得到较准确的数据，就需要用实际测量的方法。影响轧制压力的主要因素有：1、电池极片的绝对压下量；2、轧辊直径；3、电池极片的宽度；4、电池极片的初

始厚度；5、轧制温度；6、轧辊与电池极片间的摩擦系数；7、电池极片的材料组分；8、轧制速度。电池极片的压下量，一般为30%-35%，压下量越大，所需的轧制力就越大。在其他条件一定时，增大或减小轧辊的直径，会改变轧辊和被轧电池极片的接触面积，增大或减小轧辊与电池极片的外摩擦力，进而使轧制力增大或减小。

谈到机座的刚度问题，就涉及到机座的弹性变形。机座的弹性变形主要包括轴承座、压下或压上装置等零件产生的压缩变形，机架的拉伸变形等。提高轧机机座刚度办法为：增加牌坊的横截面积、缩短应力回线的距离、增大轧辊的辊身直径、给轧机在轧制前施加预应力等。

轧辊因弯曲力和剪切力而引起的挠度，是影响电池极片横向厚度差的主要因素。电池极片的板型控制包括电池极片的平直度、横截面凸度（极片凸度）和边部减薄量三项内容。极片的平直度是指电池极片纵向形状平直程度，即电池极片纵向有无波浪形或瓢曲。一般是电池极片轧制时，因纵向延伸量不均匀造成的，而从实质上看，是电池极片内部产生了不均匀的残余应力。电池极片凸度是电池极片沿宽度方向中心处厚度与边部处厚度的厚度差，也可称为横向厚差。边部减薄量是在电池极片轧制时发生在极片边部的一种特殊现象，发生此现象的原因有2个：1）电池极片与轧辊的压扁量，在轧件边部明显减小；2）轧件边部横向流动要比内部容易。这也进一步降低了极片边部的轧制力及其与轧根的压扁量，使轧件边部减薄量增加。除设定一定的辊型来控制板型外，板型控制的传统方法有两种：辊温控制法和液压弯辊控制法。辊温控制法由于轧辊本身热容量大，升温或降温都需要较长的过渡时间，而急冷急热又易使轧辊损坏，故此方法不常采用。液压弯辊法是将液压缸压力作用在轧辊辊径处使轧辊产生附加弯曲，以补偿由于