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锂电池极片厚度反弹及控制

分类:
行业资讯
作者:
高工锂电网
来源:
高工锂电网
2018/06/22 02:48
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【摘要】:
锂离子电池生产过程中,极片制造属于前段工序,在整个过程中占据着重要的位置。极片质量的好坏,关系着锂电池中段组装工序的进行,也影响着后段及锂电池的电化学性能。

在实际生产中,有时会发现极片在几小时后或者在其它工序之后,极片厚度比辊压之后的极片厚度有增大的现象,这就是极片的反弹。极片处于不同的阶段,其厚度反弹(例如辊压反弹、干燥反弹、充放电反弹等)的原因不同,其中最根本的原因是压实密度的选择不合理。

一、极片反弹

锂离子电池生产过程中,极片制造属于前段工序,在整个过程中占据着重要的位置。极片质量的好坏,关系着锂电池中段组装工序的进行,也影响着后段及锂电池的电化学性能。

极片制造主要由浆料制备、集流体涂覆活物质、极片辊压以及极片分切组成。分散均一的锂电池浆料通过狭缝挤压式或预计量转移式涂布头涂覆在正负极集流体铝箔或铜箔上,经过不同阶段温区的烘箱干燥,去除浆料中多余的水分或NMP溶剂,就形成了最初的锂电池电极极片。

涂覆完成的极片初始孔隙率高,粘结性较低,有着不利于电解液的浸润、活物质颗粒间接触电阻大、锂电池使用过程中活物质容易剥离集流体等弊端,严重影响了锂电池电化学性能的发挥。故涂布完成后的极片,需要经过辊压工序来改善其性能。

从涂布到辊压,极片经历了从厚变薄,孔隙率从大变小的过程。我们期望的电极极片是在不破坏正负极活物质颗粒形貌的基础上,具有适当的孔隙率和最小的界面接触电阻。意味着在以上的基础下,极片被压的厚度越薄越好,但是,在实际生产中,有时会发现极片在几小时后或者在其它工序之后,极片厚度比辊压之后的极片厚度有增大的现象,这就是极片的反弹。极片处于不同的阶段,其厚度反弹(例如辊压反弹、干燥反弹、充放电反弹等)的原因不同,其中最根本的原因是压实密度的选择不合理。

通常情况下,原材料供应商会给锂电池企业提供一个最大压实密度的范围,这个压实密度范围是根据材料的真实密度、材料组成、硬度等参数得出的。压实密度选取过大或过小都是不正确的,压实密度过小极片内孔隙率较高,活物质颗粒接触不紧密,电池内阻大影响了锂电池的电化学性能;压实密度过大则会造成活物质结构破坏,颗粒之间无足够的空隙,内部排斥力过大,出现辊压后厚度反弹。

二、极片反弹对锂电池生产的影响

极片厚度在辊压后出现微小的反弹也是正常现象,但是如果反弹值较大,则可能会影响中段的电芯封装及电池性能。辊压后极片在1-2h后会持续出现反弹,之后厚度值会趋于稳定。除了要考虑辊压后静止中极片出现的厚度变化,极片在烘烤后也会出现反弹值变化。在电芯入壳或者铝塑膜封装后,向内注入电解液后,随着电解液的渗透,溶剂分子进入极片粒子空隙中,占据了极片内部空间,造成极片体积增加,也会导致整体厚度增加。在锂电池使用过程中,由于电解液分解产气、锂离子脱嵌极片膨胀等,可能会造成电池整体厚度超过电池的设计值,出现鼓包,引起安全问题。

三、控制极片反弹的方法

1.选择合理的压实密度

对于极片的反弹,要选取合适的压实密度值。只有选择了合适的压实密度值,才能兼顾电池电化学性能和电池的厚度。举例说明:采用三种压实密度的正极极片,分别为极片A压实密度为3.75g/cc,极片B压实密度为3.85g/cc,极片C压实密度为3.95g/cc。分别在烘干后及预充电后测试相应位置的极片厚度,计算其相对于辊压后极片厚度的反弹率,反弹率的结果如表1所示:

1.不同压实密度、阶段下极片的反弹率(%)

image.png

从上表中数据可以看出,随着极片压实密度的增大,极片在预充前的反弹厚度越大。虽然在较低的压实密度(3.75g/cc)下,极片在烘烤之后预充前的厚度反弹率最小,为2.33%。但是,在经过预充之后,极片A的厚度反弹率超过了极片B。预充电过程中,锂离子从正极材料中脱出,经过电解液嵌入负极。对于极片C来说,颗粒之间接触紧密,电解液浸润较为困难,预充电时锂离子也不能顺利地从正极脱出嵌入负极材料中,同时颗粒之间存在应力排斥故极片C的反弹率最高。对于过小的压实密度极片A来说,由于A中活物质颗粒接触不紧密,孔隙率大,电解液进入电极空隙,造成极片厚度膨胀。所以,选择合适的压实密度是至关重要的。

2.改善辊压工艺

通过锂电池制作及电化学性能评测后,确认最佳的活物质压实密度。之后,就是要提高辊压工序的辊压精度,以确保实验设计值和辊压实际值的吻合。为了提高辊压精度,降低极片反弹值,一是采用二次辊压的方式,另外一种方式是采用热辊工艺。

在锂电池生产过程中,由于辊压速度较快,对于不同的材料极片反弹性质也不同,一次辊压往往无法达到对极片厚度、压实密度及质量的要求,二次辊压可以有效改善辊压精度的问题。一般来说,二次辊压需要在一次辊压2小时之后在干燥房内进行。间隔2小时是为了保证极片有足够长的时间弹性形变,并维持在稳定的状态。

极片热轧工艺也是降低极片反弹的有效方案之一,热轧工艺的主要目的有:

①去除极片里的水分;

②减小极片在轧制后的表面材料的反弹率,热轧可以减少约50%的极片反弹;

③消减极片的内应力,因为在分切或膜切工序进行时,极片往往由于内应力的释放而产生蛇形、翻转等不良现象;

④由于在极片热轧过程中,电池材料中的粘合剂处于熔融状态,这样可增强活性物质与集流体之间的粘合力,否则辊压时膜层容易脱落、掉粉。

⑤降低电池极片的变形抗力,致使极片上活性物质的孔架结构不被破坏,有利于提高活性物质吸液量指数的提高。

热轧工艺主要有两种方式,一种是将极片加热后经过辊轮进行压实。将极片在辊压前加热到180摄氏度,之后进行轧制,其极片厚度可控制在±2微米。另一种方式是将辊压机的辊子加热,进行辊压。这种热辊工艺就需要考虑到辊子中的温度分布和辊子受热形变的问题了。

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