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輥壓壓力對極片壓縮及導(dǎo)電性能的影響

元能科技 2024-08-29 | 閱讀：825

在可持續(xù)的現(xiàn)代社會和氣候目標(biāo)的背景下，電池儲能技術(shù)已成為全球汽車行業(yè)轉(zhuǎn)型和全球經(jīng)濟可持續(xù)增長的重要方向,。鋰離子電池（LIB）由于其長周期壽命和高倍率性能,，已成為消費者、電力和儲能市場的主要儲能解決方案之一,。當(dāng)前鋰離子電池在降低生產(chǎn)成本,、提高性能和耐久性方面仍然存在挑戰(zhàn)，因此,，深入了解生產(chǎn)過程對電池的影響,，以及生產(chǎn)過程特殊需求評估有著十分重要的意義，未來的趨勢和方向不僅取決于鋰離子電池材料的變化,，還取決于生產(chǎn)工藝,。輥壓工藝通過在適當(dāng)?shù)妮亯核俣群蜏囟认骂A(yù)先設(shè)定間隙尺寸或兩個輥之間的力，確保鋰電極片達(dá)到所需的壓實密度,。為了增加電池容量，提高電子傳導(dǎo)性和電化學(xué)性能,，鋰離子電池極片采用輥壓工藝進(jìn)行生產(chǎn),。深入研究并理解輥壓工藝過程中電極微觀結(jié)構(gòu)的演變，以及工藝參數(shù)對電極最終結(jié)構(gòu)和性能的影響，有利于更加精細(xì)化控制電極而提高綜合性能,，對鋰離子電池的設(shè)計與生產(chǎn)控制具有重要的意義,。

2022年度，Zhang等人1 結(jié)合離散元法數(shù)值模擬和壓延試驗,，對極片輥壓過程開展了系統(tǒng)化的微觀和宏觀研究,，并使用Heckel方程補充了電極壓縮預(yù)測模型，圖1為極片在壓縮過程中應(yīng)力與位移曲線示意圖,。文中明確了極片形變與顆粒粉碎,、二次顆粒融合、粘合劑網(wǎng)絡(luò)壓縮和集流體表面變形有關(guān),。同時,，研究結(jié)果表明電子導(dǎo)電性的增加，一方面與電極內(nèi)部的導(dǎo)電路徑得到改善有關(guān),，另一方面與涂層和集流體之間接觸的收緊有關(guān),。本文以此研究為基礎(chǔ)，采用BER2500系列極片電阻儀測試設(shè)備,，對不同壓實密度即不同輥壓壓力下的石墨極片進(jìn)行導(dǎo)電性能測試,。同時，結(jié)合設(shè)備的平壓結(jié)構(gòu)對極片進(jìn)行壓縮性能的測試分析,，為鋰離子電池極片輥壓生產(chǎn)工藝評估提供一種新方法,。

圖1. 極片力-位移曲線示意圖

（綠色區(qū)域表示實驗結(jié)果，灰色區(qū)域表示模擬結(jié)果）

實驗設(shè)備與測試方法

1.1實驗設(shè)備

測試設(shè)備型號BER2500（IEST元能科技）,，電極直徑14mm,，可施加壓強范圍5~60MPa。設(shè)備如圖2（a）和2（b）所示,。

圖2. (a）BER2500外觀圖,；（b）BER2500結(jié)構(gòu)圖

1.2 樣品制備與測試

1.2.1 將同一工藝配方條件下的漿料統(tǒng)一涂布后，我們分別采用小,、中,、大等不同的壓力進(jìn)行輥壓，獲得1/2/3/4共四種壓實的成品極片,，其中極片輥壓的壓力為1＜2＜3＜4,。采用裁片-測厚-稱重的方式分別計算四種極片的壓實密，其壓實密度大小同樣呈現(xiàn)1（1.35g/cm3）＜2（1.5g/cm3）＜3（1.6g/cm3）＜4（1.65g/cm3）,，即隨著輥壓壓力的增大,，壓實密度也呈現(xiàn)增大趨勢。1.2.2 結(jié)合BER2500設(shè)備,，采用穩(wěn)態(tài)測試模式,，以5-60MPa,，間隔5MPa，保壓15s,，對不同壓實密度的極片壓縮和電阻進(jìn)行對比測試,。測試具體過程為：從5MPa開始施加一定壓力并保持15s，極片被壓縮,，同時記錄極片的厚度和電阻,；然后以5MPa為間隔增加壓力，再記錄極片的厚度和電阻,，以此類推直至60MPa,；然后再逐步降低施加壓力進(jìn)行卸載并記錄厚度和電阻,。

數(shù)據(jù)分析

獲得四種不同壓實密度的電極后,，采用穩(wěn)態(tài)模式對極片分別進(jìn)行不同量化壓強條件下的加載壓縮-卸載反彈測試，記錄厚度變化,，并以初始壓強點5MPa為基準(zhǔn),，對厚度形變量進(jìn)行歸一化計算，得到不同極片的應(yīng)力應(yīng)變曲線（如圖3所示）,，同時對其形變情況進(jìn)行匯總（如表1所示）,。從結(jié)果圖表可以看出，隨著極片輥壓壓力的增大,，四種極片的最大形變,、可逆形變及不可逆形變均逐漸減小（1>2>3>4）,，但減小的趨勢逐漸變緩,。這種變化趨勢與極片涂層部分粉體的充填和壓實效應(yīng)息息相關(guān)，包括粉體顆粒的流動和重排,、彈性和塑性變形,、破碎情況等。通常極片壓延過程需要克服摩擦力,、表面作用力,、彈性形變、塑性形變和破碎等對電極涂層做功,，使電極壓實,。

本文實驗所設(shè)計的涂層部分材料配方一致，不同輥壓壓力會直接影響顆粒的流動和重排,，輥壓壓力增加更能克服顆粒與顆粒之間的摩擦力,，使顆粒排列更緊密，相互結(jié)合更緊密,。并且,，隨著輥壓壓力的增大,，粉體首先發(fā)生重排，填充原先的孔洞部分,；顆粒之間緊密接觸后，壓力繼續(xù)增加,，顆粒之間相互作用并發(fā)生彈性形變,，當(dāng)壓力增加到顆粒的屈服應(yīng)力之后，活性顆粒發(fā)生塑性形變,，這也是隨著輥壓壓力的增大,，壓實密度逐漸增大的關(guān)鍵原因。鋰離子電池極片配方通常還需要在活性粉體中加入功能性添加劑,，如助流劑、粘結(jié)劑,、導(dǎo)電劑等,，這些也會影響極片在不同壓力下整體狀態(tài)的變化。實際極片生產(chǎn)中,，極片是受工藝條件輥壓力,、張力、速度及粉體壓縮性能等綜合因素影響的,。本文實驗中所設(shè)定的整體壓力偏小，但在壓縮性能趨勢上與實際生產(chǎn)工藝一致,，可以作為工藝評估的一種有效手段,。

圖3. 四種極片的應(yīng)力應(yīng)變(壓縮性能)曲線

表1. 四種極片形變情況匯總

在鋰離子電池極片的輥壓過程中,，極片的寬度和長度變形很小，極片輥壓可降低涂層厚度,、增加壓實密度,、提高涂層粘結(jié)性，達(dá)到穩(wěn)定電極結(jié)構(gòu)和提高電池容量的目的,。極片的輥壓過程是單位面積質(zhì)量幾乎不變而體積減小的過程,。顆粒之間，顆粒與集流體之間都通過粘結(jié)劑將他們結(jié)合在一起,，極片厚度方向上的壓縮是集流體與涂層同時壓縮的結(jié)果,，但是集流體厚度變化比較小，極片上的粉體顆粒與集流體之間也存在相互作用,，輥壓過程中顆粒會對集流體形成凹坑,，從而增加涂層與集流體的接觸面積和粘結(jié)性。如圖4和5分別為四種不同壓實密度的極片在穩(wěn)態(tài)模式一系列施加壓力的平壓下厚度變化曲線和電阻率變化曲線,，從厚度變化曲線上看,，隨著輥壓壓力的增大，極片的整體厚度整體變小,，一定壓力后極片的厚度趨于穩(wěn)定,，同時低壓力輥壓極片更易出現(xiàn)反彈，所以在變壓測試中厚度隨壓強的變化量較大,。而電阻率曲線中極片1,、2的變化趨勢大于極片3、4,，這主要是因為相對于極片1,、2，大輥壓壓力下的極片3,、4涂層顆粒之間接觸以及涂層與集流體之間的接觸更緊密,，平壓測定過程極片整體厚度變化量更小。而對比不同壓強下的電阻率測試結(jié)果,，小輥壓壓力極片絕對值小于大輥壓壓力,，這可能是因為經(jīng)平壓極片厚度方向上的變化更易使極片縱向?qū)щ娦阅茏兒茫趯嶋H電子導(dǎo)電性能評估中可結(jié)合具體需求選擇最合理的參數(shù)進(jìn)行測試,。

圖4. 四種極片的厚度變化曲線

圖5. 四種極片的導(dǎo)電性能測試曲線

總結(jié)

本文采用BER2500系列極片電阻儀測試設(shè)備（點擊文末閱讀原文查看詳細(xì)介紹）,，對不同輥壓壓力下的石墨極片進(jìn)行壓縮性能及導(dǎo)電性能測試，可有效區(qū)分不同輥壓壓力下極片的性能差異,，實際生產(chǎn)工藝中輥壓壓力的選擇要結(jié)合具體工藝配方進(jìn)行合理的選擇,，提高電池容量的同時，也可有效提升電池整體的電性能發(fā)揮,。

文獻(xiàn)原文

[1]Zhang J, Huang H, Sun J. Investigation on mechanical and microstructural evolution of lithium-ion battery electrode during the calendering process[J]. Powder Technology, 2022, 409: 117828.

[2]B.G. Westphal et al. Influence of high intensive dry mixing and calendering on relative electrode resistivity determined via an advanced two point approach. Journal of Energy Storage 2017, 11, 76–85

[3]楊紹斌, 梁正. 鋰離子電池制造工藝原理與應(yīng)用[M]. 化學(xué)工業(yè)出版社, 2020.

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