智能電話已經十分普及,不過,大部份人可能並不了解,手機重要部件——鋰電池的制造與輥筒密切相關,尤其是極片。
從結構上講,鋰電池由鋰離子電芯、電解液、保護電路及外殼部份組成。電芯則由正極、負極以及隔膜組成。正極的組成部份為正極材料(如磷酸鐵鋰、鈷酸鋰等)+導電劑+粘合劑+集流體(鋁箔),負極的組成部份為石墨+導電劑+增稠劑+粘結劑+集流體(銅箔)。正極和負極統稱為電池極片。為了提高極片表面材料密度,確保極片厚度的一致性,極片在塗布工序之後須進行滾壓,此工序稱為電池極片的軋制。
電池極片軋制的過程是電池極片由軋輥與電池極片間產生的摩擦力拉進旋轉的軋輥之間,電池極片受壓變形的過程。電池極片的軋制不同於鋼塊的軋制,軋鋼的過程是一個鐵分子沿縱向延伸和橫向寬展的過程,其密度在軋制過程中不發生變化;而電池極片的軋制是一個正負極板上電池材料壓實的過程,其目的在於增加正極或負極材料的壓實密度。合適的壓實密度可增大電池的放電容量,減小內阻,減小極化損失,延長電池的迴圈壽命,提高鋰電池的利用率。經過試驗,合適的正極材料壓實密度約在2.8~3.4g/cm³之間,負極材料密度約為1.5g/cm³。
壓實密度過大或過小時,不利鋰離子的嵌入或脫嵌。因此,電池極片實施滾壓時,軋制力不宜過大也不宜過小,應符合電池極片材料的特征。
電池極片的軋制須滿足下列幾個條件:
1、降低極片在軋制過程中的延伸量和寬展量,並減少微孔架構的破壞;
2、保證極片軋制厚度一致性及極板平整度;
3、減少極片在軋制後表面材料的反彈率;
4、合適的軋制力。目前,軋制力的大小一般為經驗值,由各廠家經試驗得出,通常為數十噸到上百噸,最高的甚至超過300噸。
影響電池極片軋機軋制厚度的因素主要有以下幾項:
1)軋制力
2)機座的剛度
3)軋輥因彎曲力和剪下力而引起的撓度
4)軋輥的形位公差精度
5)軋輥受壓後的彈性形變
6)電池極片的原始厚度
7)極片材料的張力
8)軋制溫度
9)軋制速度
從上述要求可以看出,極片的滾壓對軋輥的要求非常高,軋輥的精度直接決定了極片的最終質素。
當前,電池極片的滾壓工序基本為全自動連續軋制。軋輥的輥徑從最初的φ200~300提高到了φ800左右;輥壓精度從之前的±0.005mm、±0.003mm提高到了±0.001~0.002mm;輥壓速度也從每分鐘幾米提高到每分鐘幾十米。
需說明的是:軋輥的輥徑越大,其滾壓過程越近乎平壓。大輥徑輥壓機減小極片在滾壓時的壓入角,降低極片的縱向延伸量及橫向寬展量,使極片的塗層材料的微觀結構不受破壞,不影響註液後極片的吸液量,使正負極片之間離子能正常的嵌入及脫嵌。同時也避免極片以後分切時因極片內部應力的釋放而產生矩蛇形及翻轉現象。
目前,國內輥壓機基本采用冷軋,不對輥筒加熱。有廠家嘗試采用導熱油加熱方式,但鮮有成功案例。也有廠家在滾壓前先對極片進行預熱,再進行冷軋,這種方式效果非常有限。日本的輥壓機中不少是采用熱軋的方式,這種器材對軋輥要求極高。這種熱軋輥基本參數如下:
軋輥尺寸:φ820×800
線壓力:1500kN/m(max)
機械精度:0.002mm
輥面溫度:130℃(max)
溫度精度:±1℃
更主要的是,在軋輥被加熱到工作溫度時,輥筒的機械精度還得保持與常溫時相當。
由於對金屬材料的軋制容易造成輥面的磨損,帶來機械精度變差,因此,軋輥在使用一段時間後要送回原廠進行修復。修復一次不但費用驚人,而且周期很長。這就限制了熱軋工藝的推廣。好在國內已經開發成功這種熱軋輥,並具備套用的條件。