鋰電池極片輥壓溫度如何影響動(dòng)力電池性能

前言

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。

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)鍵問題：

（1）降低極片在軋制過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^程，軋制過程中材料密度不發(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 各樣品電池的庫侖效率

圖3是各樣品電池的庫倫效率，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)，樣品的庫侖效率也有所提高。庫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，證明庫侖效率必然也高。