技術(shù)解讀:鋰電池極片輥壓溫度的影響
極片制造工序主要是涂布和軋制工藝,其中,軋制工藝很關(guān)鍵。極片軋制工藝主要解決以下幾點(diǎn)關(guān)鍵問(wèn)題:
(1)降低極片在軋制過(guò)程中的延伸率和寬展率,降低極片涂層材料孔隙結(jié)構(gòu)的破壞率;
(2)提高極片涂層的厚度一致性,以改善極片的橫截面形狀。
(3)提高極片軋制后電極材料的壓實(shí)密度一致性;
(4)減少極片軋制后表面電極材料的反彈;
極片表面涂層材料的壓實(shí)密度與電池的電化學(xué)性能有很重要的關(guān)系,合理的壓實(shí)密度可有效增加電池的電化學(xué)性能,降低電極的接觸電阻和交流阻抗,增加參與電化學(xué)反應(yīng)的活性材料面積,從而顯著提高極片涂層材料的電化學(xué)性能。鋰離子電池極片制造屬于高精度制造范疇,極片軋制區(qū)別于板帶材軋制,板帶材軋制是一個(gè)金屬材料發(fā)生縱向延伸和橫向?qū)捳沟倪^(guò)程,軋制過(guò)程中材料密度不發(fā)生變化。而電池極片表面的電極材料是一種孔隙結(jié)構(gòu),軋制過(guò)程中正負(fù)極片上電極材料被壓實(shí),密度發(fā)生變化,極片軋制是一個(gè)孔隙結(jié)構(gòu)被填充,涂層顆粒逐漸密實(shí)的過(guò)程。
極片輥壓的目的有以下幾點(diǎn):
1)保證極片表面光滑和平整,防止涂層表面的毛刺刺穿隔膜引發(fā)短路;
2)對(duì)極片涂層材料進(jìn)行壓實(shí),降低極片的體積,以提高電池的能量密度;
3)使活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑顆粒接觸更加緊密,提高電子導(dǎo)電率;
4)增強(qiáng)涂層材料與集流體的結(jié)合強(qiáng)度,減少電池極片在循環(huán)過(guò)程中掉粉情況的發(fā)生,提高電池的循環(huán)壽命和安全性能。
此前,鋰電池極片輥壓工藝基礎(chǔ)解析(點(diǎn)擊閱讀)文章分享了輥壓基礎(chǔ)知識(shí),有人詢問(wèn)輥壓溫度對(duì)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(shuō)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(guó)外已經(jīng)廣泛采用熱軋的方式進(jìn)行極片軋制,而國(guó)內(nèi)還是多采用冷軋的方式。與冷軋相比,熱軋主要有以下優(yōu)點(diǎn):
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(qiáng)涂層材料與集流體的結(jié)合力,減少電池在充放電循環(huán)過(guò)程中掉粉情況的發(fā)生,提高電池的循環(huán)壽命。
劉彬彬等采用LiFePO4作為正極材料,鋰片作為負(fù)極材料,制成扣式鋰離子電池,以面密度、壓實(shí)密度和厚度一致性三個(gè)參數(shù)為指標(biāo),考察了正極片的軋制溫度對(duì)電池極片和電池電化學(xué)性能的影響。
圖1 不同軋制溫度下的極片厚度
圖1為涂敷厚度為 100 μm 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°C 增加為 90°C 再增加為 160°C,極片厚度偏差由±1.9μm 降低為±1.3 μm 再降低為±0.8μm,極片厚度一致性逐漸提高,這是因?yàn)殡S著軋制溫度的增加,極片涂層變形抗力減小,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涂層材料表面SEM圖
圖2為不同軋制溫度下的極片涂層材料表面 SEM 圖,如圖中所示,軋制溫度為20°C 時(shí),極片涂層表面部分區(qū)域顆粒結(jié)合較為緊密,部分區(qū)域還不夠緊密,且存在少量微孔;軋制溫度為 90°C 時(shí),極片涂層表面顆粒緊密結(jié)合程度增加,緊密結(jié)合區(qū)域增加,微孔數(shù)量在減少;軋制溫度為 160°C 時(shí),極片涂層表面顆粒緊密結(jié)合程度進(jìn)一步增加,緊密結(jié)合區(qū)域進(jìn)一步增大,微孔數(shù)量進(jìn)一步減少。軋制溫度的不同改變了涂層的變形抗力,使得極片涂層材料表面具有不同的致密程度。
圖3 各樣品電池的庫(kù)侖效率
圖3是各樣品電池的庫(kù)倫效率,9#、8#、3#分別為20°C、90°C 、160°C條件下輥壓極片制作的電池。由圖3可見,當(dāng)軋制溫度從 20°C 提高到 90°C 再提高到 160°C 時(shí),樣品的庫(kù)侖效率也有所提高。庫(kù)侖效率是在同一充放電循環(huán)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(shí)電阻就會(huì)降低,庫(kù)侖效率也會(huì)相應(yīng)提高。
圖4 各樣品電池的循環(huán)伏安性能
圖 4為各樣品的循環(huán)伏安性能曲線,9#、8#、3#分別為20°C、90°C 、160°C條件下輥壓極片制作的電池。由圖可見實(shí)驗(yàn)樣品中當(dāng)軋制溫度為 160°C 時(shí),向上的氧化峰與向下的還原峰對(duì)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(kù)侖效率必然也高。
資料來(lái)源:
[1] 劉斌斌. 動(dòng)力鋰離子電池極片精密制造理論與實(shí)驗(yàn)研究[D]. 太原科技大學(xué), 2017.
責(zé)任編輯:繼電保護(hù)
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