在鋰離子電池的生產(chǎn)過(guò)程中，輥壓工藝是確保極片性能和電池質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過(guò)將電池正負(fù)極材料與活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑等混合物進(jìn)行輥壓，使其形成致密的結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)降低涂層厚度、增加壓實(shí)密度、提高涂膜黏結(jié)性等目標(biāo)。本文將深入探討輥壓工藝的基本原理、變形區(qū)的力學(xué)特性以及通過(guò)輥縫、張力、速度和壓力等參數(shù)調(diào)控極片厚度的方法。

輥壓開(kāi)始時(shí)，極片與軋輥接觸，并靠二者之間的摩擦力，使得極片被軋輥咬住，極片被拽入軋輥，在變形區(qū)內(nèi)發(fā)生變形，極片從輥縫出來(lái)后完成輥壓變形。極片不斷進(jìn)入變形區(qū)，并連續(xù)發(fā)生變形，進(jìn)入穩(wěn)定壓制階段。當(dāng)極片末端完全脫離變形區(qū)以后，輥壓過(guò)程結(jié)束。

簡(jiǎn)單輥軋過(guò)程變形區(qū)示意圖

在鋰離子電池極片的輥壓過(guò)程中，極片的寬度和長(zhǎng)度變形很小，集流體厚度不發(fā)生變化，對(duì)極片的輥壓可降低涂層厚度、增加壓實(shí)密度、提高涂膜黏結(jié)性，達(dá)到穩(wěn)定電極結(jié)構(gòu)和提高電池容量的目的。

極片的輥壓過(guò)程是單位面積質(zhì)量不變而體積減小的過(guò)程。壓制后的厚度h可用下式計(jì)算:

式中，h'為極片集流體厚度；ρ為壓制后充填密度；m為單位面積極片的質(zhì)量；m0為單位面積集流體質(zhì)量。

表1. 極片的尺寸及力學(xué)性能參數(shù)

#Photonixbay.01

輥壓后的極片厚度控制

輥壓工藝通過(guò)選擇輥縫尺寸，調(diào)整極片出口張力、輥壓速度、輥壓力等參數(shù)，確保輥壓后的極片厚度達(dá)到工藝要求值。

#Photonixbay.02

輥縫尺寸調(diào)整

在其他輥壓條件一定的情況下，設(shè)置初始輥縫為S01，則輥壓機(jī)的彈性曲線A和軋件的塑性曲線B如下圖(左)所示，這時(shí)得到的軋件厚度為它們的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)h1。當(dāng)需要減小輥壓厚度δh時(shí)，需要減小縫尺寸δS即輥縫由S01變?yōu)镾02，輥壓機(jī)的彈性曲線左移到A'，A'與塑性曲線B的交點(diǎn)橫坐標(biāo)為h2，此時(shí)輥壓厚度為h2，減小δh。反之，增大輥縫將會(huì)增大輥壓厚度。

(左)輥縫調(diào)整原理圖；(右)來(lái)料厚度變化時(shí)輥縫調(diào)整

來(lái)料厚度不同時(shí)的輥縫調(diào)整，如上圖(右)所示。當(dāng)來(lái)料出現(xiàn)厚度增大δH時(shí)，即板厚由H1增大到H2，在原始輥縫和其他條件不變時(shí)，軋件塑性曲線由圖中B右移為B'，此時(shí)輥壓機(jī)的彈性曲線為A，導(dǎo)致彈塑性曲線交點(diǎn)橫坐標(biāo)由h1右移到h2，輥壓厚度增大品δh。為矯正極片厚度產(chǎn)生的δh偏差，調(diào)整初始輥縫由S01變?yōu)镾02，則輥壓機(jī)的彈性曲線由A變?yōu)锳'，輥壓厚度(A'和B'交點(diǎn)橫坐標(biāo))重回設(shè)計(jì)輥壓厚度h1。

#Photonixbay.03

張力調(diào)整

輥壓過(guò)程中，極片前端大于后端的速度，就會(huì)在極片中產(chǎn)生拉應(yīng)力，也稱(chēng)為張力。與輥縫調(diào)整相比，通過(guò)張力調(diào)整改變薄板的輥壓厚度具有反應(yīng)快、精確度高、效果好等特點(diǎn)。

張力調(diào)整是通過(guò)改變軋件塑性曲線的傾斜度，來(lái)調(diào)整輥壓機(jī)彈性曲線與軋件塑性曲線的交點(diǎn)位置，達(dá)到調(diào)節(jié)輥壓厚度的目的。

(左)張力調(diào)整或速度調(diào)整；(右)來(lái)料厚度變化時(shí)張力調(diào)整

如上圖(左)所示，當(dāng)張力變大時(shí)，塑性曲線由B變?yōu)锽'，傾斜度變小，塑性曲線與彈性曲線的交點(diǎn)左移，輥壓厚度減小δh。反之，當(dāng)需要增大輥壓厚度時(shí)，減小張力，塑性曲線由B'變?yōu)锽，彈性曲線和塑性曲線的交點(diǎn)右移，輥壓厚度變大。

針對(duì)不同厚度來(lái)料的張力調(diào)整，如上圖(右)所示。當(dāng)來(lái)料厚度增大δH，則塑性曲線由B右移到B'，彈塑性曲線的交點(diǎn)由h1右移到h2，輥壓厚度增大δh；通過(guò)增大張力，使塑形曲線斜率下降，由B'變?yōu)锽＂，彈塑性曲線交點(diǎn)左移δh，壓厚度回復(fù)到h1。

• 張力分為前張力和后張力。

需要注意的是后張力比前張力對(duì)輥壓厚度的影響幅度更大。

• 一般來(lái)說(shuō)，后張力大于前張力，帶材不易拉斷，保證帶材不跑偏，較平穩(wěn)地進(jìn)入縫。但后張力過(guò)大會(huì)增加主電機(jī)負(fù)荷。

• 相反前張力大于后張力時(shí)，可以降低主電機(jī)負(fù)荷，有利于輥壓時(shí)工作輥的穩(wěn)定性，能使變形均勻，對(duì)控制板形效果顯著，但是過(guò)大的前張力會(huì)使極片卷得太緊，易產(chǎn)生黏結(jié)和斷帶。

• 另外張力的調(diào)整范圍不宜過(guò)大，最大張應(yīng)力值不能大于或等于金屬的屈服強(qiáng)度，否則會(huì)造成帶材在變形區(qū)外產(chǎn)生塑性變形，甚至斷帶，破壞輥壓過(guò)程或使產(chǎn)品質(zhì)量變壞。

一般鋰電極片輥壓的前張力1~10kgf(9.8~98N，1kgf=9.80665N)，后張力2~15kgf(19.6~147N)。

#Photonixbay.04

輥壓速度調(diào)整

輥壓速度調(diào)整會(huì)改變軋件塑性曲線的傾斜度。輥壓速度越快，則極片塑性曲線越陡，與輥壓機(jī)彈性曲線交點(diǎn)越靠右，輥壓厚度變大；降低輥壓速度，會(huì)使極片塑性曲線傾斜度降低，輥壓厚度減小，其調(diào)整原理與張力調(diào)整相同。輥壓速度的調(diào)整還會(huì)影響到輥壓溫度、軋輥與電池極片的摩擦系數(shù)等因素。

#Photonixbay.05

輥壓力調(diào)整

一般情況下，輥壓力屬于因變量。在軋件及輥縫、張力、速度等輥壓工藝參數(shù)一定時(shí)，輥壓力也隨之確定。輥壓力大小等于軋件變形抗力或輥壓機(jī)的彈性變形力。要得到較準(zhǔn)確的輥壓力數(shù)據(jù)，需要用實(shí)際測(cè)量的方法。影響輥壓力的因素很多，電池極片的初始厚度越大，電池極片的絕對(duì)壓下量越大，輥壓溫度越低，輥壓速度越快，軋輥與電池極片間的摩擦系數(shù)越大，電池極片的寬度和軋輥直徑越大，變形抗力越大，輥壓力越大。綜上所述，通過(guò)合理調(diào)整輥縫、張力、速度和壓力等工藝參數(shù)，可以有效控制極片的厚度，從而提高電池的容量和穩(wěn)定性。在未來(lái)的研究中，進(jìn)一步優(yōu)化這些參數(shù)的調(diào)控策略，結(jié)合先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)，美能光子灣科技將繼續(xù)助力鋰離子電池制造技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)行業(yè)向更高效率和更高質(zhì)量的方向邁進(jìn)。