锂电池极片辊压温度的影响

极片制造工序主要是涂布和轧制工艺, 其中, 轧制工艺很关键. 极片轧制工艺主要解决以下几点关键问题:

降低极片在轧制过程中的延伸率和宽展率, 降低极片涂层材料孔隙结构的破坏率;

(2) 提高极片涂层的厚度一致性, 以改善极片的横截面形状.

(3) 提高极片轧制后电极材料的压实密度一致性;

(4) 减少极片轧制后表面电极材料的反弹;

极片表面涂层材料的压实密度与电池的电化学性能有很重要的关系, 合理的压实密度可有效增加电池的电化学性能, 降低电极的接触电阻和交流阻抗, 增加参与电化学反应的活性材料面积, 从而显著提高极片涂层材料的电化学性能. 锂离子电池极片制造属于高精度制造范畴, 极片轧制区别于板带材轧制, 板带材轧制是一个金属材料发生纵向延伸和横向宽展的过程, 轧制过程中材料密度不发生变化. 而电池极片表面的电极材料是一种孔隙结构, 轧制过程中正负极片上电极材料被压实, 密度发生变化, 极片轧制是一个孔隙结构被填充, 涂层颗粒逐渐密实的过程.

极片辊压的目的有以下几点:

1) 保证极片表面光滑和平整, 防止涂层表面的毛刺刺穿隔膜引发短路;

2) 对极片涂层材料进行压实, 降低极片的体积, 以提高电池的能量密度;

3) 使活性物质, 导电剂颗粒接触更加紧密, 提高电子导电率;

4) 增强涂层材料与集流体的结合强度, 减少电池极片在循环过程中掉粉情况的发生, 提高电池的循环寿命和安全性能.

此前, 锂电池极片辊压工艺基础解析 (点击阅读) 文章分享了辊压基础知识, 有人询问辊压温度对电池极片和电池性能的影响, 本次分享一份资料, 摘取其中部分说明锂电池极片辊压温度的影响. 极片辊压分为冷轧和热轧两种方式, 目前国外已经广泛采用热轧的方式进行极片轧制, 而国内还是多采用冷轧的方式. 与冷轧相比, 热轧主要有以下优点:

1) 可以减少约50%的极片反弹;

2) 利用较小的轧制力即可将极片的厚度压缩到工艺需求的厚度, 轧制力最大可减小62%;

3) 增强涂层材料与集流体的结合力, 减少电池在充放电循环过程中掉粉情况的发生, 提高电池的循环寿命.

刘彬彬等采用LiFePO4作为正极材料, 锂片作为负极材料, 制成扣式锂离子电池, 以面密度, 压实密度和厚度一致性三个参数为指标, 考察了正极片的轧制温度对电池极片和电池电化学性能的影响.

图1不同轧制温度下的极片厚度

图1为涂敷厚度为100μm的极片在不同轧制温度下的厚度曲线, 如图所示, 随着轧制温度由20℃增加为90℃再增加为160℃, 极片厚度偏差由±1.9μm降低为±1.3μm再降低为±0.8μm, 极片厚度一致性逐渐提高, 这是因为随着轧制温度的增加, 极片涂层变形抗力减小, 可塑性变好, 使得极片表面厚度更加均匀.

图2 不同轧制温度下的极片涂层材料表面SEM图

图2为不同轧制温度下的极片涂层材料表面SEM图, 如图中所示, 轧制温度为20℃时, 极片涂层表面部分区域颗粒结合较为紧密, 部分区域还不够紧密, 且存在少量微孔; 轧制温度为90℃时, 极片涂层表面颗粒紧密结合程度增加, 紧密结合区域增加, 微孔数量在减少; 轧制温度为160℃时, 极片涂层表面颗粒紧密结合程度进一步增加, 紧密结合区域进一步增大, 微孔数量进一步减少. 轧制温度的不同改变了涂层的变形抗力, 使得极片涂层材料表面具有不同的致密程度.

图3各样品电池的库仑效率

图3是各样品电池的库伦效率, 9#, 8#, 3#分别为20℃, 90℃, 160℃条件下辊压极片制作的电池. 由图3可见, 当轧制温度从20℃提高到90℃再提高到160℃时, 样品的库仑效率也有所提高. 库仑效率是在同一充放电循环中放电比容量与充电比容量的比率, 极片的厚度一致性提高时电阻就会降低, 库仑效率也会相应提高.

图4各样品电池的循环伏安性能

图4为各样品的循环伏安性能曲线, 9#, 8#, 3#分别为20℃, 90℃, 160℃条件下辊压极片制作的电池. 由图可见实验样品中当轧制温度为160℃时, 向上的氧化峰与向下的还原峰对称性较好, 峰位差也最小, 充电和放电的可逆性也最好, 证明库仑效率必然也高.