鋰電池極片輥壓溫度的影響

極片製造工序主要是塗布和軋制工藝, 其中, 軋制工藝很關鍵. 極片軋制工藝主要解決以下幾點關鍵問題:

降低極片在軋制過程中的延伸率和寬展率, 降低極片塗層材料孔隙結構的破壞率;

(2) 提高極片塗層的厚度一致性, 以改善極片的橫截面形狀.

(3) 提高極片軋制後電極材料的壓實密度一致性;

(4) 減少極片軋制後表面電極材料的反彈;

極片表面塗層材料的壓實密度與電池的電化學性能有很重要的關係, 合理的壓實密度可有效增加電池的電化學性能, 降低電極的接觸電阻和交流阻抗, 增加參與電化學反應的活性材料面積, 從而顯著提高極片塗層材料的電化學性能. 鋰離子電池極片製造屬於高精度製造範疇, 極片軋制區別於板帶材軋制, 板帶材軋制是一個金屬材料發生縱向延伸和橫向寬展的過程, 軋制過程中材料密度不發生變化. 而電池極片表面的電極材料是一種孔隙結構, 軋制過程中正負極片上電極材料被壓實, 密度發生變化, 極片軋制是一個孔隙結構被填充, 塗層顆粒逐漸密實的過程.

極片輥壓的目的有以下幾點:

1) 保證極片表面光滑和平整, 防止塗層表面的毛刺刺穿隔膜引發短路;

2) 對極片塗層材料進行壓實, 降低極片的體積, 以提高電池的能量密度;

3) 使活性物質, 導電劑顆粒接觸更加緊密, 提高電子導電率;

4) 增強塗層材料與集流體的結合強度, 減少電池極片在迴圈過程中掉粉情況的發生, 提高電池的迴圈壽命和安全性能.

此前, 鋰電池極片輥壓工藝基礎解析 (點擊閱讀) 文章分享了輥壓基礎知識, 有人詢問輥壓溫度對電池極片和電池性能的影響, 本次分享一份資料, 摘取其中部分說明鋰電池極片輥壓溫度的影響. 極片輥壓分為冷軋和熱軋兩種方式, 目前國外已經廣泛採用熱軋的方式進行極片軋制, 而國內還是多採用冷軋的方式. 與冷軋相比, 熱軋主要有以下優點:

1) 可以減少約50%的極片反彈;

2) 利用較小的軋制力即可將極片的厚度壓縮到工藝需求的厚度, 軋制力最大可減小62%;

3) 增強塗層材料與集流體的結合力, 減少電池在充放電迴圈過程中掉粉情況的發生, 提高電池的迴圈壽命.

劉彬彬等採用LiFePO4作為正極材料, 鋰片作為負極材料, 製成扣式鋰離子電池, 以面密度, 壓實密度和厚度一致性三個參數為指標, 考察了正極片的軋制溫度對電池極片和電池電化學性能的影響.

圖1不同軋制溫度下的極片厚度

圖1為塗敷厚度為100μm的極片在不同軋制溫度下的厚度曲線, 如圖所示, 隨著軋制溫度由20℃增加為90℃再增加為160℃, 極片厚度偏差由±1.9μm降低為±1.3μm再降低為±0.8μm, 極片厚度一致性逐漸提高, 這是因為隨著軋制溫度的增加, 極片塗層變形抗力減小, 可塑性變好, 使得極片表面厚度更加均勻.

圖2 不同軋制溫度下的極片塗層材料表面SEM圖

圖2為不同軋制溫度下的極片塗層材料表面SEM圖, 如圖中所示, 軋制溫度為20℃時, 極片塗層表面部分區域顆粒結合較為緊密, 部分區域還不夠緊密, 且存在少量微孔; 軋制溫度為90℃時, 極片塗層表面顆粒緊密結合程度增加, 緊密結合區域增加, 微孔數量在減少; 軋制溫度為160℃時, 極片塗層表面顆粒緊密結合程度進一步增加, 緊密結合區域進一步增大, 微孔數量進一步減少. 軋制溫度的不同改變了塗層的變形抗力, 使得極片塗層材料表面具有不同的緻密程度.

圖3各樣品電池的庫侖效率

圖3是各樣品電池的庫倫效率, 9#, 8#, 3#分別為20℃, 90℃, 160℃條件下輥壓極片製作的電池. 由圖3可見, 當軋制溫度從20℃提高到90℃再提高到160℃時, 樣品的庫侖效率也有所提高. 庫侖效率是在同一充放電迴圈中放電比容量與充電比容量的比率, 極片的厚度一致性提高時電阻就會降低, 庫侖效率也會相應提高.

圖4各樣品電池的迴圈伏安性能

圖4為各樣品的迴圈伏安性能曲線, 9#, 8#, 3#分別為20℃, 90℃, 160℃條件下輥壓極片製作的電池. 由圖可見實驗樣品中當軋制溫度為160℃時, 向上的氧化峰與向下的還原峰對稱性較好, 峰位差也最小, 充電和放電的可逆性也最好, 證明庫侖效率必然也高.