锂离子电池制片过程中辊压工序的若干问题

２００９年第８期　第３６卷总第１９６期　ｗｗｗ．ｇｄｃｈｅｍ．ｃｏｒｎ　锂离子电池制片过程中辊压工序的若干问题　（１．天津大学化２１２学院，天津’３０００７２；２．东莞市迈科科技有限公司，广东东莞５２３８００）　【摘要】国内生产的锂离子电池在国际国内的市场占有率日益增大与其日臻完善的生产工艺是息息相关的，文章讨论了在锂离子电池制片过　崔巍　，唐致远　，李中延　程中的辊压工序可能产生的一些问题以及提出了相对应的解决方案。　【关键词】锂离子电池；制片；辊压　［中图分类号１ＴＱ１５　【文献标识码】Ａ　ｆ文章编号】ｌ００７—１８６５（２００９）０８—００９３＿０１　Ｓｏｍｅ　Ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｉｎ　Ｒｏｌｌｉｎｇ　Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｌｉ·ｉｏｎ　Ｂａｔｔｅｒｙ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ　ｃＵｉ　Ｗｅｉ　，Ｔａｎｇ　Ｚｈｉｙｕａｎ‘，Ｌｉ　Ｚｈｏｎｇｙａｎ‘　（１．Ｔｈｅ　Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＣｈｅｍｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３０００７２；２．Ｄｏｎｇｇｕａｎ　ＭｃＮａｉｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｌｔｄ．，Ｄｏｎｇｇｕａｎ　５２３８００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　ａｎｄ　ｄｏｍｅｓｔｉｃ　ｍａｒｋｅｔ　ｓｈａｒｅ　ｏｆ　Ｌｉ．ｉｏｎ　ｂａｔｔｅｒｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎｅｓｅ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｒｅａｓｉｎｇ　ａｔ　ａ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｅｘｔｅｎｔ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｒｔｓ　ａｎｄ　ｃｒａｆｔｓ　Ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ｓｏｍｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｔｈａｔ　ｈａｐｐｅｎｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｒｏｌｌｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ　ｉｎ　ｓｌｉｃｅ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｌｉ—ｉｏｎ　ｂａｔｔｅｒｙ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｗｈｅｒｅ　ａｆｔｅｒ　ｐｒｏｍｏｔｅｄ　ｓｏｍｅ　ｃｏｒｒｅｌａｔｉｖｅ　ｓｏｌｖｅｎｔｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｌｉ　ｉｏｎ　ｂａｔｔｅｒｙ；ｓｌｉｃｅ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ；ｒｏｌｌｉｎｇ　‘　当前，我国锂离子电池产品质量日益提高，在国际国内市　场所占份额逐步增大，这一切与我国大规模生产锂离子电池的　生产工艺的１３趋成熟，生产技术的逐步深化有着密切的关系。　因此对锂离子电池生产工艺的探讨和优化将直接作用于生产　过程，提高产品的市场竞争力。　１现象及问题　锂离子电池的生产过程大致分为制片、装配、注液和包装　四部分。　其中，锂离子电池的制片过程不同于以往的镍氢电池及其　他各类电池。锂离子电池的极片是以铝箔和铜箔为基体在上面　涂覆活性物质，后进行辊压、裁片、ＴＱＣ等工序后完成的，　极片厚度大约为１２０　ｇｍ至１４０　ｇｍ，质地柔软易破损，需小心　转运和使用。　辊压是电池极片制作即制片过程中的重要环节，一般安排　在涂布工序之后，裁片工序之前，由双辊压实机完成。辊压机　由两个铸钢压实辊以及电机和传动轴组成，双辊在未使用状态　下涂满防锈油，使用时用无水乙醇将防锈油擦拭干净，后用干　棉布擦干无水乙醇，工作时电机带动上下辊同时转动，将涂布　工序完成的已附着活性物质的箔带或箔片放在工作台上，平稳　通过双辊，旨在使活性物质与箔片结合愈加品坚质密，厚度均　匀。为达到更佳效果，亦可重复辊压几次。但在实际操作中，　辊压过程常常会造成对极片的损坏，其原因有如下几点：　（１）生产是连续性工作，工序的质量首先取决于之前涂布　度仪划破极片。即便没有划破，也会造成划伤，即部分活性物　质被厚度仪刮落，形成箔片暴露在外的残ＶＩ，且划伤和划破常　常是十几厘米甚至几十厘米长度的破坏，以至于不得不废弃掉　某一段箔带或箔片，造成生产资料浪费。　（３）不论铜箔还是铝箔都存在一定的继续延展性，在辊压　过程中由于双辊压实活性物质，而活性物质又会对箔片产生挤　压而造成箔片轻微的延展。在前序的涂布过程中，为了节省活　性物质的用量，涂布宽度会稍稍小于箔带宽度，箔带的边缘便　会有数毫米左右的宽度没有覆盖活性物质。在辊压时，这一部　分就不会同时接触辊压机的双辊，以致没有发生继发性的延　展。继而就造成箔带没有附着活性物质的部分与箔带中间大面　积已附着活性物质的部分延展度不均一，在外观上形成箔带边　缘的波浪形皱褶，平行的波浪痕迹与箔带运动方向垂直。附着　在皱褶箔带上的活性物质易发生裂缝、凸起或脱落。状况轻微　可通过后续的裁切步骤除去，但严重的很容易造成整个极片报　废。　工序的完成质量，涂布过程中，若在极片表面留有小颗粒等质　地不均现象，则在辊压时，小颗粒受到双辊压力，便向箔带方　向挤压，颗粒体较软的可被碾成粉末继而脱落，颗粒体较硬的　会挤压箔带，造成箔带破孔甚至箔带断裂。即使没有小颗粒的　出现，涂布不均匀在辊压后也会显现得更加明显，因涂布较厚　的位置被压实，产生光泽，而涂布较薄部位未被压实，没有光　泽产生，则极片表面就会出现不规则的光泽图形，这表明了活　性物质分布不均一并且与箔带的结合水平也不均匀，易形成面　积脱落。　（４）箔带在双辊压实的过程中需要严格垂直于双辊轴向，　才能使箔带上的活性物质受力均衡，辊压半整，但在箔带进辊　的过程中，若有箔带本身制作的轻微偏斜或者输送箔带的传送　轴之间的微小角度偏斜亦或是小片辊压时操作人员摆放的极　片轻微偏斜造成箔带或箔片进入双辊时不是完全的垂直，辊压　就会产生箔带或箔片一侧被牵扯平直而另一侧有轻微褶皱的　现象，整个箔带或箔片就不是均衡受力，辊压出来的活性物质　表面由于箔带或箔片基体的褶皱而出现大面积的倾斜波浪状　痕迹，即压实位置不均衡造成压实表面不均。表面不均的极片　般作报废处理，但即便忽略这一现象，强行带入后续环节制　作电池，最终成品也很难使容量密度和能量密度合乎规格。　２讨论与措施　如上各种现象造成了生产资料浪费，更影响制片工作的连　续性和一致性，最终会影响成品电池品质。对于上述各种现象，　笔者提出如下解决方案：　（１）加强前步骤工作质量，包括混料和涂布。混料时提高　搅拌速度和增加搅拌时间会提高混料的均匀性，较大程度避免　团聚现象的发生。但提高搅拌速度和增加搅拌时间势必带来机　（下转第１１８页）　（２）辊压过程中，操作员会即时使用厚度仪测量辊压后的　极片厚度以确定辊压效果是否符合工艺要求。但因是在极片的　传动过程巾测量，同时测量员的实际操作水平有限，易造成厚　［收稿日期］２００９．０３—０９　［作者简介】崔巍（１９８３一），男，山东莒南人，博士，主要从事应用化学电化学方面的研究。　广东化工　２００９年第８期　（上接第９３页）　械磨损和电力消耗的增加，即增加了生产成本，且不同正极材　料的分布能力也不尽相同，因此在工艺设计时要依据物料本身　特性酌情增加搅拌的时间和强度。　在涂布过程中将涂布宽度尽量靠近箔带宽度，以避免压实　不匀的现象发生，不论是手动还是自动进料，都要防止气泡进　入进料槽，搅拌后放置过久的料不能用来涂布，因其产生了沉　淀分层，会导致进料不均以致涂布不均。涂布轴要擦拭干净，　避免着料不匀。　（２）对于实时监控辊压后的极片厚度，有条件的车问可以　采用光学厚度实时监控系统，但大多数企业都是采用人工操作　测厚仪，即需要加强工人操作水平的培训，让工人了解箔带和　活性材料的特性，使手动操作更安全可靠，减少或者避免划伤　划破箔带或箔片的现象。　（３）对于箔带或箔片边缘出现辐射型波纹的问题，需在涂　布过程中尽量使涂布宽度接近箔带宽度，尽量减小裸露金属部　位的面积，以减轻其未延展而造成的对着料部分产生延展的紧　缩作用。或者采用组合型双辊，即中间部分的双辊长度与着料　宽度相等，两侧贴合直径稍大的双辊用以对未着料部分进行酌　情延展，其数值可预先以少量着料箔带进行预压后测量得知。　亦可在较宽辊上测出着料宽度后，在着料宽度外缠绕一定厚度　的ＰＶＤＦ膜使得双辊可接触到未着料部分，并对其进行延展　以减轻或消除边缘辐射型波纹。缠绕ＰＶＤＦ膜的厚度亦是根　（上接第９４页）　表１操作条件　Ｔａｂ．１　Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　２催化剂预硫化　完成干燥操作后，以最低２００　Ｎｍ　／ｈ／ｍ　单位催化剂的氢　气流量，或尽可能用最大氢气流量循环（干燥时为一次通过氢　气以排除湿气）。当反应器温度达到硫化剂的分解温度，引入　Ｈ２ｓ气体进入反应系统。在系统运行稳定之后，便可以进行适　当升温。在初期硫化阶段，一定要严格控制催化剂床层任何点　的温度不得超过２４５℃。如果气体中硫含量控制不好，将引　起大量放热，催化剂床层有可能达到非理想的３１５－３７０℃，　在此高温条件下，硫化操作完成前，将会发生结焦和金属还原　反应。在２４５℃下，严格按要求控制ＨｚＳ浓度。由于过多的　Ｈ　Ｓ注入，会使催化剂床层温度控制困难，活化气体中的Ｈ２Ｓ　注入量应控制在低水平，（１　ｍｏｌ％）。　催化剂需要的理论注硫量（以硫元素计）是催化剂总重量　的９．８ｗｔ％。　操作要点如下：　（１）在硫化剂注入后，每小时要检验反应器出口活化气体　Ｈ２Ｓ浓度并记录，直到反应器出口含有的ＨｚＳ穿透达到　据对着料部分和未着料部分的厚度差来确定，由于ＰＶＤＦ膜　软硬适中，不仅可以起到压实箔带或箔片边缘的作用，亦不会　造成对未着料箔带或箔片的损伤。　（４）关于箔带或箔片与双辊的垂直问题，对于未裁片箔带　而言，可增加进入双辊前的传送轴个数，以平整进入前的箔带　表面，同时仔细调节各传送轴与双辊的位置关系，保持其各部　分严格平行。这种调节需定期定批次进行，以保证各轴位置因　工作而产生的微小位移能够及时得到纠正。对于已裁片的箔片　而言，需增设进入双辊前的传送平台，使其尽量接近双辊并固　定，且在平台上设置严格垂直于双辊的标卡尺，用以辅助箔片　以正确角度进入双辊。　３结语　由于锂离子电池极片的特殊性造成了其生产工艺不同于　其他的电池种类的工艺，所产生的问题也具有独特性。这些问　题以及类似的关于锂离子电池生产工艺问题的解决，将直接减　少对生产资料的浪费，完善后续的装配、注液、包装等工序的　品质和效率，提高最终产品的品质和一致性，降低生产成本，　继而使锂离子电池产品具有更强的市场竞争力。　（本文文献格式：崔巍，唐致远，李中延．锂离子电池制片过　程中辊压工序的若干问题【Ｊ］＿广东化工，２００９，３６（８）：９３）　３０００￣１０　％。　（２）为保证完全硫化需要第二阶段硫化。持续以先前的注　入速度注入硫化剂，同时以１５℃／ｈ升温升到高于预计初期运　行温度１５℃。　（３）在整个第二阶段注硫期间，继续记录反应器出口活化　气体Ｈ２ｓ浓度，确保循环气中的Ｈ２ｓ浓度高于１５００￣１０　％。　达到最高硫化温度（初期温度１　０℃以上）后，持续注硫一个小　时，直到理论化学硫沉积到催化剂上。　（４）硫化完成后，投用循环氢洗气系统（如果有），或逐渐置　换新氢将Ｈ２ｓ降到１　ｖ％以下。　（５）反应器降温到预期的运行初期温度以下２０℃，即可准　备进原料投入生产。　注意事项：　（１）催化剂床层温度高于２４５℃时循环氢Ｈ２Ｓ浓度不能低　于１５００×１０　％，否则催化剂上的硫可能挥发，金属可能被还　原。　（２）硫化反应都是放热反应，尤其是初始硫化阶段能观察　到床层温升。如果放热过高，需要减少硫化剂的注入量。如果　硫化过程中出现飞温要停止加热、停止注硫，使反应器会随着　进料温度降低而冷却。　（３）在硫化第二阶段，为防止金属还原，关键是保证Ｈ２Ｓ　浓度在１５００×１０　％以上。如果Ｈ２Ｓ浓度要降到１５００￣１０　％　以下，保持反应器温度稳定，直至Ｈ２Ｓ浓度恢复到１５００￣１０　％　以上。如果２　ｈ后，Ｈ２ｓ浓度没有恢复到１５００￣１０　％以上，以　每小时２０℃降温并监测循环氢中的Ｈ２ｓ。反应器温度达到　２４５℃即停止降温。　（本文文献格式：刘建军，姚良雨．粗苯加氢催化剂的装填与　硫化［Ｊ］．广东化工，２００９，３６（８）：９４）