储能电池、动力电池极片辊压详解！

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极片辊压是一个锂离子电池生产过程中一个重要的环节，其目的是获得符合设计要求的极片。辊压是一个很有必要的工序，极片在涂布、干燥完成后，活物质与集流体箔片的剥离强度很低，此时需要对其进行辊压，增强活物质与箔片的粘接强度，以防在电解液浸泡、电池使用过程中剥落。

（1）电池极片辊压的基本机理：电池极片辊压属于粉末轧制，其目的是提高电池极片活性物质的压实密度及其均匀性，提高活性物质的附着力，提高表面粗糙度。辊压过程遵从重量不变定律。

（2）垂直压实与纵向延展。在辊压过程中，两只轧辊对电池极片的压力实际上是垂直压力和水平压力的合力，其大小取决于极片活性物质的压缩量大小和轧辊咬入角。在极片活性物质压缩量一定的前提下，垂直压力和水平压力的大小取决于两只轧辊的咬入角，咬入角大则水平压力大，咬入角小则垂直压力大。压实密度取决于垂直压力大小，纵向延伸率取决于水平压力大小。一般正负极片体积压缩比在20-30%左右。

（3）极片压实密度均匀性与表面粗糙度。假设极片涂布厚度是均匀的，则电池极片压实密度均匀性取决于两只轧辊之间接触母线的平行度，其影响因素主要是轧辊同轴度、辊身圆柱度、轴承精度、设备刚性稳定性、轧辊两端的缝隙调整等。极片辊压表面的粗糙度取决于活性物质颗粒大小和轧辊表面的粗糙度。

（4）集流体延伸与活性物质颗粒滑移。铝箔或铜箔集流体在大辊径轧辊辊压设备上辊压时很难延展，但是集流体上粘结的活性物质在水平压力的推动下会发生滑移，进而带动电池极片集流体延伸，延伸率影响了极片的平整性和导电性。一般铝箔延展率0.7%，铜箔延展率0.2%。

（5）电池极片局部延伸压缩与内应力不均。电池极片涂布经涂布厚度存在误差，两只轧辊接触母线平行度也存在误差。为此电池极片上的活性物质局部压实密度并不均匀，局部延展与周边压缩并存造成了极片内应力不均匀，进而影响了电池极片板型的平整度。

（6）极片压实密度、延伸率与辊颈。前面说过两只轧辊咬入角大小直接影响了极片活性物质的压实密度和延伸率，而轧辊辊身直径的大小直接决定了咬入角大小。辊径大则咬入角小，辊径小则咬入角大。

（7）极片辊压厚度反弹与辊压速度和环境湿度。辊压速度慢会减小极片活性物质的弹性变形量，也就是辊压后的厚度反弹量会变小。然而事实是当辊压速度提高到一定数值时，极片辊压后的厚度反弹量反而变小，这是因为环境湿度造成的。活性物质吸水量不仅影响了活性物质的表面碱性，也影响了厚度反弹量。正极极片反弹率0.5%，负极反弹率非常大，一般5%左右，现有的解决技术：压实设变，热辊压，双辊连扎等方式。极片的反弹会影响极耳的裁切位置和电芯的整体厚度

（8）极片辊压内应力不均匀与张力控制。极片辊压的过程就是压缩变形与延展变形的过程，此过程中进口张力影响极片的内应力分布，出口张力影响极片的板型平整度。

（9）热辊压与极片的变形抗力。一般说来，物质变形抗力都会随着温度升高而变小，塑性变形量也会随之增大。极片热辊压还有利于减少轧辊表面磨损。但就极片冷热辊压的比较一直没有明显效果，足见极片辊压影响因素的复杂性。

10）极片过压对电解液浸润的影响。

锂电池极片孔结构的变化直接影响电解液的吸收和润湿性，孔隙率的减小和孔隙的收缩导致电极的迂曲度增加，电解液由隔膜向极片内部渗透阻力增加。随着辊压程度的增加，电解液吸附量逐渐减少，孔隙率较小时电解液只吸附于表层，电解液渗透通道堵塞，其难以贯穿电极整个体积。

11）辊压工艺对电极电化学性能的影响从本质上分析，是多孔电极离子导电和电子导电的权衡与优化的过程。一方面，辊压促进了颗粒之间的接触，改善了电极的导电网络，提高了电极的电子导电性；另一方面，辊压显著降低了极片的孔隙率，电解液无法与活性物质形成良好的接触，使得充放电时Li+的传输严重受阻，电极极化程度增加。因此从应用的角度，储能型电池可增大压实密度提高比容量密度，功率型电池则需严重控制电极的孔结构，适当减小压缩率。辊压对电极电化学性能的影响较为复杂，除了与电极原材料、电极配方、集流体等因素有关，辊压参数、电解液等也会对最终性能产生重大影响。

12）辊压实例说明：

产品标的：

100AH或280AH动力电池极片产品辊压参数如下：

设计参数：

工艺流程：

工艺参数：

辊压工序常见问题和解决

（1）极片厚度不均匀。引起极片滚压厚度不均匀的因素很多，如极片涂布厚度不均匀、轧辊同轴度误差、轧辊圆柱度误差、轧辊接触母线不平行、轧辊轴向挠曲变形、辊压设备的刚性稳定性差等等。这些问题不好调整，是来料及设备本身问题。

（2）极片出现镰刀弯。这种情况主要是两只轧辊接触母线不平行或极片涂布两边厚度不一样所致。

（3）极片出现波浪边。这种情况主要是极片滚压过程中延展率比较大造成的。诱因是辊身直径小、极片滚压前张力小、极片厚度压缩量大、极片涂布两边凸起等等。

（4）极片表面出现暗条纹。这种情况主要是轧辊表面存在振纹、辊身圆柱度误差大、前张力小且不均匀所致。

（5）极片出现卷边。这种情况就是极片延伸率过大所致。解决方法主要是加大辊身直径、减小极片压缩量、调整极片前后张力等。

（6）极片出现断带。这种情况主要是张力不均匀不稳定、缺少张力快速响应机构、极片涂布边缘凸起严重等所致。

（7）极片两边张力松紧不同。这种情况主要是轧辊轴线与各过棍轴线不平行所致，可调整各辊轴线平行度解决。

（8）轧辊表面出现麻点。这种情况是轧辊表面的疲劳点蚀，主要是轧辊材质及热处理金相组织不均匀，辊面抗疲劳强度差引起的，也和轧辊表面粗糙度有关。

（9）极片滚压厚度反弹。这种情况主要是极片滚压后残余弹性变形量大、环境湿度大所致。可以尝试热滚压、慢速辊压、高速滚压、减低环境相对湿度等措施。

（10）极片板型不平整。这种情况主要是由于极片滚压变形量不均匀、前后张力小且不均匀或极片涂布厚度误差所致。

极片对辊压机的开发：

锂电池极片辊压过程中极片的厚度、形貌、孔结构等发生了显著的变化，从而导致电极电子导电性和离子导电性的相反方向的变化。

（1）无辊压制片可能性：辊压工序并非必要，极片种类和配方有关。

石墨负极极片辊压由于负极的变形和基面取向的原因，Li+的传质扩散严重受阻，不利于活性材料容量的发挥，适当的辊压可提高极片的剥离强度，因此石墨负极常采用低辊压（light calendering）。新型粘结剂、集流体表面改性（涂炭、电晕、电化学腐蚀、箔材穿孔）织构和纯度控制或许能够克服力学性能的不足，实现负极无辊压。

（2）孔结构优化：活性颗粒细晶化，细晶化直接由双峰结构跳到单峰结构，减小辊压的影响。当然多尺度晶粒混合工艺也在一定程度上减小辊压对孔结构影响。

（3）导电网络优化：除了集流体的改性降低接触电阻，导电剂类型、含量即分布控制使极片初始导电性能优异，从而减小辊压压缩率，改善离子导电。

（4）辊压工艺参数控制：辊压压缩率优化是关键，辊压速度对极片结构的影响，热辊压的开发如多道热烘箱安装，热辊线压工艺，对辊压合工艺等。

（5）辊压设备的开发：辊压机辊径/辊身规格选型，二辊轧机到四辊轧机的开发。

来源：锂电那些事

疲劳化学电子材料储能多尺度控制数控

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首次发布时间：2023-06-20

储能电池、动力电池极片辊压详解！

极片对辊压机的开发：

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