剖析锂电池极片轧制技术研究进展.docx

剖析锂电池极片轧制技术研究进展极片轧制工艺研究现状：当前国内主流的极片轧制均采用常温轧辑对极片轧制，轧制后极片反弹率（轧制后极片放置期间厚度增加的现象）较高，影响电芯封装及电池性能。1、日韩等国家率先采用极片热轧工艺，可减少约50%的轧后极片反弹，还可降低轧制后极片内应力、降低变形抗力，从而保持微孔结构不被破坏，提高活性物质吸液量。2、热辑轧制可提高轧制速度，且在同样压缩比下所需压力比常温低40%50%.1）由于热辐轧制过程中电池材料中的粘合剂处于熔融状态，可增强涂布材料与集流体的结合力，减少电池在充放电循环过程中掉粉情况的发生，提高电池循环寿命。2）采用LiFePO4作为正极材料，以面密度、压实密度和厚度一致性3个参数为指标，考察了正极片的轧制温度对电池极片和电池电化学性能的影响。3）三星SDl和韩国汉阳大学研究人员进行了一道次轧制和两道次轧制压实，以达到所设计的极片厚度和压实密度。（1）对石墨活性颗粒的拉曼表征结果表明，经两次轧制极片中石墨颗粒破裂和粉化程度相对较小。（2）轧制后极片的3DXRM重构图像表明（图6）,经两次轧制的极片孔径明显大于只经一次轧制的极片孔径，并且经40%100%两次轧制的极片在厚度上孔径分布更为均一，电解液浸润性及极片剥离强度更加优异。73% IOoB电Ift16 694623O到第流体的即黑m(«) 31) XRM小四用像；(L) PMi LHl m 也期Ed.3那三三芦3228"20 W¥菖、=圣极片轧制设备研究现状：随着车用动力锂电池对产品一致性要求的提高，电池极片轧机也向着高精度及自动化发展。1、目前国内外极片轧机主流辐径为800mm,辐身长度为500l000mm,厚度精度可达±2m,轧制速度可达100120mmino2、为提高生产效率，极片轧机向大型化方向发展，辐身长度达到150Omm甚至更宽。3、极片轧制工序基本实现全自动连续，轧制设备也朝着集成化方面发展，国内外已有轧制一分切一体机代替原有轧制和分切由2台独立设备完成的传统生产方式，三星SDI和韩国汉阳大学采用双机架轧机进行连续两次轧制，对设备自动控制水平及工艺控制精度提出了更高要求。4、目前极片轧机主要有气液增压式轧机和液压伺服加压式轧机。E.锂苞那些事1）国内主流机型主要是气液增压泵加压式，通过布置在两个轴承座之间的伺服电机带动楔铁和丝杠，离线调节辑缝，不能对轧辐间隙和轧制力进行实时在线调节，无法实现恒压力控制。2）采用液压伺服系统实现位置、速度及压力控制，使轧机能够对极片进行恒压力和瞬间变间隙轧制，很好地解决了上述问题，获得很高的控制精度和很快的响应速度。3）目前日立公司最新的轧机已采用先进的AGC厚控技术，实现了对极片轧制厚度一致性的精密控制。5、随着系统控制水平和技术集成度的不断提高，行业对轧制设备智能化的需求显得更加迫切。1）在极片轧机设计方面，太原科技大学王金鹏进行了短应力线及全液压极片轧机设计，并通过有限元模拟，分析了不同辑系参数下轧机弹跳方程及厚度一致性。2）河北工业大学肖艳军等亦提出一种牌坊式短应力极片轧机结构，并进行了新结构与传统轧机动态特性模拟分析对比及试验平台验证，表明新结构应力回线的缩短提高了整体结构刚度及设备稳定性。3）针对极片轧制厚度一致性差导致动力锂离子电池一致性差、续航能力不足等问题，如果利用有限元分析得到了工作短辐径为"180200mm、支撑馄辑径为6340360mm、馄身长度为50Omm的四辐轧机在轧制力相同、轧制45Omm宽极片时的压实效果与二辑轧机（b500X500mm近似等效，并分析了四辐轧机轧辐参数变化和工作辐弯辐力对极片宽度方向厚度偏差的影响。4）在利用有限元仿真680OmmX75Omm馄面尺寸的轧机轧制64Omm宽片时，发现带宽合格比例有所提高；仅考虑轧辑挠度对极片精度的影响，加工64Omm宽的极片，应选择2500至300OkN的轧制力；极片宽度越窄，选择的轧制力应越小。5）分别对极片轧机弯辐结构及整机主要设计参数进行了优化分析，为后续轧机设计提出改进方向。6）在热辐轧机方面以680Omm轧辐为对象，建立周边打孔型结构的辐套式轧馄模型，分析了导热油加热轧辑的温度场，并对轧辑加热过程、辑面温差及内部应力进行了分析，通过单根轧辑静态加热试验验证了模拟结果。7）基于旋流动强化传热理论，设计了三角形截面螺旋流道辑套式轧辑，并分析了导热油进口流速、辐套厚度、螺距对轧辐加热及热应力的影响，以轧辐外表面均匀区的温度和均匀区宽度为指标确定了合理参数。8）河北工业大学井然等与某轧辐公司合作研发了电磁热辐机械结构与嵌入式控制系统，基于电磁感应加热过程模拟，分析了电源频率、功率及加热时间对加热状态的影响，确定了加热电源功率及频率范围，完成了硬件电路及控制系统软件并进行了试验调试。9）对电磁感应空心轧辐及油回路轧辑与同样外径实心辐的挠度变形进行了对比分析，结果表明轧辐温度升高亦会影响挠曲变形。极片轧制技术展望：国内外研究学者针对极片轧制变形微观机理和工艺基础理论开展大量研究工作，推动了极片轧制工艺与装备技术水平的提升。1、动力锂电池高安全性、高一致性、高合格率和低制造成本需求对极片轧制成形控制精度提出了更高要求。2、极片轧制变形微观结构演化、工艺数学模型和高精度控制技术方面尚未形成系统的理论体系，装备技术创新缺乏支撑。3、未来主要发展趋势如下：1)轧制过程极片微观结构演化。目前针对轧制工艺过程及设备工艺参数对极片孔结构影响的研究还非常少，尚局限于压下率对压实密度及电池性能影响方面。2)利用微观原位观测技术对极片压缩变形过程孔隙压实致密规律、载荷条件及层间变形协调性等问题开展研究，揭示极片轧制成形过程孔隙致密演化微观机制，定量化研究设备参数及线载荷对极片微观结构及剥离强度影响，对于优化极片轧制工艺及装备设计具有重要意义。(1)极片轧制过程工艺模型。由于极片特殊的层状结构和颗粒涂层特征，其轧制变形力学行为十分复杂尚未形成系统工艺数学模型体系。(2)结合传统轧制理论、粉末压实理论及极片微观压实规律，开展极片轧制过程变形力学行为研究,建立压实阻力模型和轧制力解析模型，是目前实现极片轧制高精度自动化亟待开展的研究工作。(3)热辑轧制及二次轧制技术。热辑轧制是轧制工序提升锂电池能量密度、安全性能及使用寿命的有效途径，目前国外已普遍使用热辐轧制工艺，中国还普遍应用冷轧技术。(4)针对热馄轧制过程极片热变形机制、微观孔隙结构演变、大直径电磁感应加热辐结构研制及温度控制、轧制过程轧辐热凸度及厚度控制等研究尚待开展。(5)开展极片二次轧制过程压实机制、轧制力模型及厚度均一性控制等研究是宽幅极片轧制工艺及设备研发、极片制造降本增效的前提。4)极片轧制精确控制技术与装备智能化。开发新型极片轧机厚控系统，建立轧制过程控制参数高精度、智能化控制模型，建立极片轧制工艺数据库和大数据优化策略、极片质量评价和控制机制，实现锂电池极片轧制过程精确控制及轧制机连轧线稳健运行关键技术，提高极片精度以满足动力锂电池需求；此外如何实现极片制造过程的可视化监控及设备风险预测，实现实体到数字化虚体的数字李生也将是极片轧制设备及工艺的发展方向。锂电池极片轧制是新能源汽车动力锂电池制备工艺中的重要工序，国内外研究学者在极片微观结构及电化学性能方面开展了大量研究，明确了极片轧制工序对电池性能的影响，同时在极片轧制工艺、轧制过程致密化机制方面进行了探索性研究，并对轧制设备进行了改进与完善。