試論鋰離子電池極片的軋制與電池極片軋機(jī)

一. 鋰離子電池的歷史沿革

人們往往把鋰離子電池稱為鋰電池，其實(shí)鋰離子電池從嚴(yán)格意義上講只是鋰電池的一種。而鋰電池是指電化學(xué)體系中含有鋰的電池，大致可分為兩類：鋰金屬電池和鋰離子電池。鋰金屬電池是由金屬鋰或鋁合金為負(fù)極材料，使用非水電解質(zhì)溶液的電池，其發(fā)明者為偉大的發(fā)明家愛(ài)迪生。1970年?？松腗.S.whittingham采用硫化鈦為正極材料，金屬鋰作為負(fù)極材料，制成鋰電池。由于鋰金屬的化學(xué)特征非?；顫?，使鋰金屬的加工、使用及保存，對(duì)環(huán)境的要求非常苛刻，因此，金屬鋰電池自發(fā)明后長(zhǎng)期沒(méi)有得到商業(yè)化應(yīng)用。直到1982伊利諾伊理工大學(xué)（the：1lltnoisInstitute of technology)的R.R.Agarwal和J.R.Selman發(fā)現(xiàn)鋰離子具有嵌入石墨的特性，此過(guò)程是快遞的，并且可逆。1991年，商用鋰離子電池在日本索尼研制成功，該鋰離子電池以炭材料為負(fù)極，以含鋰的化合物作為正極，在充放電過(guò)程中，沒(méi)有金屬鋰存在，只有鋰離子。當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行充電時(shí)，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過(guò)電解液運(yùn)動(dòng)到負(fù)極，而負(fù)極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，達(dá)到負(fù)極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。同理，當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行放電時(shí)，嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫嵌，又運(yùn)動(dòng)回正極，回正極的鋰離子越多，放電容量越高，通常所說(shuō)的電池容量指的就是放電容量。隨后，適合作正負(fù)極的材料也越來(lái)越多。正極材料有鈷酸鋰，碳酸li，磷酸鐵鋰，三元材料等。負(fù)極材料有天然石墨，人工石墨，中間相碳微球，石油焦，碳纖維，熱解樹(shù)脂等。

二. 鋰電池的構(gòu)成

鋰電池分為液態(tài)鋰離子電池（LIB）和聚合鋰離子電池（PLB）二類。從結(jié)構(gòu)上講，鋰離子電池由鋰離子電芯、電解液、保護(hù)電路（PCM）及外殼部分組成。電芯則由正極、負(fù)極以及隔膜組成。正極的組成部分為正極材料（如磷酸鐵鋰）+導(dǎo)電劑+粘合劑（PVDF）+集流體（鋁箔），負(fù)極的組成部分為石墨+導(dǎo)電劑+增稠劑（CMG）+粘結(jié)劑（SBR）+集流體（銅箔）。正極和負(fù)極在業(yè)界內(nèi)一般稱為電池極片，為了提高電池極片表面材料的密度及厚度的一致性，正負(fù)極片在涂布工序之后須進(jìn)行滾壓，此工序稱為電池極片的軋制。

三．鋰離子電池極片的軋制

電池極片軋制的過(guò)程是電池極片由軋輥與電池極片間產(chǎn)生的摩擦力拉進(jìn)旋轉(zhuǎn)的軋輥之間，電池極片受壓變形的過(guò)程。電池極片的軋制不同于鋼塊的軋制，軋鋼的過(guò)程是一個(gè)鐵分子沿縱向延伸和橫向?qū)捳沟倪^(guò)程，其密度在軋制過(guò)程中不發(fā)生變化；而電池極片的軋制是一個(gè)正負(fù)極板上電池材料壓實(shí)的過(guò)程，其目的在于增加正極或負(fù)極材料的壓實(shí)密度，合適的壓實(shí)密度可增大電池的放電容量，減小內(nèi)阻，減小極化損失，延長(zhǎng)電池的循環(huán)壽命，提高鋰離子電池的利用率。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，合適的正極材料壓實(shí)密度約在2.8g/cm-3.4g/c㎡之間，負(fù)極的約為1.5g/cm*。但壓實(shí)密度的過(guò)大或過(guò)小時(shí),不利鋰離子的嵌入或脫嵌。因此，電池極片實(shí)施滾壓時(shí)，軋制力不宜過(guò)大也不宜過(guò)小，應(yīng)符合電池極片材料的特征。極片過(guò)壓后，一般會(huì)出現(xiàn)極片上的材料剝落、粘

輥、極片表面平直度差、極片硬化、吸液性差不良現(xiàn)象，導(dǎo)致,極片分切時(shí)毛刺出現(xiàn)幾率大、微短路、低電壓、負(fù)極表面金屬鋰的析出和電池容量比下降等不良現(xiàn)象。因此，電池極片的軋制須滿足下列幾個(gè)條件：1、降低極片在軋制過(guò)程中的延伸量和寬展量，并減少微孔架構(gòu)的破壞；2、保證極片軋制厚度一致性及極板平整度；3、減少極片在軋制后表面材料的反彈率。4、合適的軋制力。目前，軋制力的大小一般為經(jīng)驗(yàn)值，由各廠家經(jīng)試驗(yàn)給出。電池極片軋制的輔助措施一般為給極片施加一定的張力及給電極片實(shí)施熱軋。在軋制過(guò)程中給極片施加一定的張力，可改變極片的塑性曲線斜率，使在不改變輥縫的情況下，保持極片軋后其厚度的一致性。