锂离子电池极片辊压生产线的总体设计与研究

0引言

近年来,我国新能源汽车在国家产业政策体系支持下发展迅速。锂离子电池是为新能源汽车提供动力来源的电源I是新能源汽车的“心脏”[1]。电池组容量、循环寿命受电池极片能量密度、厚度一致性影响较大[2]。电池极片一般以铜箔和铝箔为基体,在表层涂覆石墨或磷酸铁锂等电极材料,精度要求较高。电池极片的制作环节包括涂布、辊压、分切等工序,对锂离子电池性能影响占比超过70%,其中辊压工序更是对电池性能的提升发挥了重要的作用[3—4]。

目前,动力电池市场需求持续增长,这就对极片的质量和生产效率提出了更高的要求。然而,在实际生产中,仍存在辊压压力控制不精确、极片厚度均匀性差、边缘效应明显等问题,严重制约了锂离子电池性能的进一步提升。因此I对锂离子电池极片辊压生产线进行总体设计与研究I探索更加高效、精准的辊压工艺I成为提升锂电池综合性能的关键所在。本文旨在综合当前锂离子电池极片辊压技术的最新进展I结合实际需求I提出一种创新的锂离子电池极片辊压生产线的总体设计方案,以提升极片辊压质量、效率,提高极片能量密度,从而进一步改善锂电池的品质。

1锂离子电池极片辊压工艺分析

1.1电池极片辊压的原理

辊压工序在锂离子电池极片完成涂布工序并对极片烘干后进行。电池极片辊压原理示意图如图1所示。电池极片的基材一般为铜箔或铝箔,表层涂有磷酸铁锂、石墨等材料,经过涂布、烘干后进入辊压环节。

辊压前,涂层为半流动、半固态的粒状介质,由单独颗粒或团粒组成,具有分散性和流动性,颗粒间有空隙。辊压时,电性浆料颗粒发生小位移填补间隙,实现相互定位。辊压过程可视为半固态电性浆料颗粒在不封闭状态下的连续压实,磷酸铁锂、石墨等材料颗粒附着在铜箔或铝箔上,通过摩擦力被咬入辊缝并压实,形成具有一定致密度的电池极片[5]。辊压生产线是锂电池极片规模化制造的核心工艺装备,而辊压工艺是提升锂电池综合性能的关键环节。

1.2辊压质量影响因素

辊压生产线对电池极片造成的质量问题是辊压后电池极片的厚度一致性较差,而这反映出电池极片压实密度的一致性较差,最终影响了锂电池的性能。锂离子电池极片的厚度一致性分纵向厚度一致性和横向厚度一致性,电池极片示意图如图2所示。出现这两个方面问题的原因不尽相同。 电池极片纵向厚度不一致的原因主要包括锂电池的极片涂布不均匀性、轧辊系各主要零件制造精度与装配精度的影响、液压系统的影响。对于电池极片的横向不一致性,液压系统、辊压机基座刚度差、轧辊弯曲变形等是主要的影响因素,如果在辊压过程中,轧辊挠曲变形,将进一步使极片出现中间厚、两边薄的情况。  影响电池极片辊压质量的因素还包括辊压生产线其他各装置,比如放卷装置、纠偏装置、张力系统等。

2锂离子电池极片辊压生产线总体设计

2.1辊压生产线总体布局设计

为了保证锂离子电池极片的正常辊压生产,设计的极片辊压生产线包括放卷装置、接带摆辊装置、除尘除铁装置、辊压机、激光测厚装置、收卷装置、液压系统、电气控制系统等。锂离子电池极片辊压生产线总体布局图如图3所示。

2.2辊压生产线各部分功能

放卷装置主要由放卷料筒支撑与驱动总成、放卷纠偏总成、导辊系、张力平衡总成、接带平台总成、除尘除铁总成等组成。放卷料筒支撑与驱动总成由驱动电机、减速机、安全卡头、气涨轴等组成。  放卷时,气涨轴充气,电池极片料卷和气涨轴固定为一体,驱动电机通过减速器驱动料筒旋转,从而实现放卷功能。放卷纠偏总成由纠偏传感器、纠偏驱动器和纠偏控制器等组成,纠偏总成通过纠偏传感器感应极片偏移,实时纠正极片在料卷放卷过程中发生的偏移。张力平衡总成由张力传感器、摆辊平衡装置、低摩擦气缸等组成,可以结合控制系统实时检测极片张力,实时进行极片张力的调整,防止极片产生抖动进而影响极片平整度。接带平台总成是在放卷部分发生极片断带或者更换新料卷时,将辊压机侧极片与放卷侧极片粘接起来的装置。除尘除铁总成主要作用是利用磁铁和辊刷去除极片表面杂质。导辊系主要起调整和支撑极片的功能。

辊压机是电池极片辊压生产线的核心模块,其将电池极片按照工艺要求辊压成规定的厚度。激光测厚仪用来实时测量电池极片辊压后的厚度,测厚仪与辊压机液压系统实时进行数据通信,根据测厚仪测量的电池极片厚度误差,实时调整辊压机辊压压力,进而减小电池极片厚度误差,实现电池极片辊压厚度与辊压压力调整闭环控制。对于负极电池极片,石墨材料易粘在轧辊上,需要配置刮刀装置和擦辊装置,用于轧辊辊面的清洁。

收卷装置与放卷装置结构类似,作用是将经过辊压后的极片呈卷状缠绕在一定尺寸的芯轴上,供后续工序使用。

2.3控制系统总体设计

在锂离子电池极片辊压生产线中,控制系统作为核心中枢,承担着协调设备动作、保障工艺精度及提升生产效率的关键任务。采用模块化设计理念,构建一套以PLC为核心、融合人机交互与自动化控制的高效控制系统,实现了辊压工艺参数的精准调控与生产流程的智能化管理。

控制系统通过结构化编程将辊压流程分解为放卷张力控制、辊压压力闭环控制、厚度在线检测等独立功能模块。其中,放卷张力控制模块采用PID算法结合张力传感器反馈信号,对极片张力实现精确的动态控制;辊压压力模块通过液压伺服系统与激光测厚仪的协同作用,确保极片厚度一致性。控制系统可与MES系统互联,实现辊压压力、速度、厚度偏差等工艺参数及设备运行状态数据追溯与远程监控。

2.4辊压生产线的工作过程

将涂布后的料卷放置到放卷装置上,将极片依次穿过各个装置引到收卷装置上。辊压过程中,在放卷驱动装置、张力控制系统、辊压机轧辊、收卷装置的驱动和牵引下,完成锂离子电池极片辊压并收卷。放卷装置和收卷装置安装有自动纠偏系统,纠偏系统利用纠偏传感器实时检测极片边缘位置,纠正横向偏移,从而保证收卷质量。利用放卷装置和辊压机之间、辊压机与收卷装置之间的张力控制系统,保持极片张力稳定,避免张力不稳定影响极片辊压质量。

在辊压机和收卷装置之间设置激光测厚装置,实时检测电池极片厚度,并反馈到控制系统,控制系统根据激光测厚数据实时调整辊压机相关参数,提高极片辊压质量。

在整个辊压生产过程中,轧辊压力、辊缝、辊压线速度等参数根据电池型号和极片特性进行预设和调整,以确保极片的压实密度、厚度一致性和表面质量。辊压生产线对接MES系统,将生产数据上传到管理系统。

3 关键设备辊压机的基本结构与主要技术参数

3.1辊压机的基本结构

高精度的电池极片辊压机采用垂直式口形框架结构,双辊系呈上下水平对位布局,下辊系下方设置液压缸向上施压。辊压机主要由底座、机架、上下辊系、驱动装置、液压系统、辊缝调整装置、钣金护罩等部分组成,如图4所示。底座、机架需要有足够高的强度和高度,是辊压机稳定工作的基础。液压系统由液压缸和液压站等部分组成,液压缸通过下辊系的轴承座将辊压力施加到轧辊上。由电机和减速机组成的驱动装置驱动轧辊旋转,运动通过驱动电机—减速机—分速器—万向联轴器最终传递到轧辊,保证对电池极片连续辊压生产。辊缝调整装置在轧辊两侧轴承座配置两套,通过伺服电机驱动滚珠丝杠带动斜铁运动调整辊缝大小,以适应不同极片辊压厚度的要求。

辊压机在运行过程中其所需驱动转矩与两辊之间压力、辊面宽度、辊压速度呈正相关性。当辊身宽度规格和两辊之间压力保持相对稳定时,随着辊压速度的提升,系统所需的驱动转矩将同步增大,进而要求电机具备更高的功率输出能力。针对高转速运行工况下驱动功率需求显著上升的特点,可以采用双同步电机并联驱动方案,以确保在高速重载作业条件下仍能提供稳定可靠的动力输出。

3.2辊压机的主要技术参数

目前,主流生产设备的辊径为φ600~φ900 mm,辊面宽度为300~1 500 mm,辊压机辊径和辊面宽度根据锂离子电池制造企业工艺要求确定。大直径轧辊可一定程度上降低压力波动,提升电池极片连续辊压生产的厚度一致性。轧辊的材质优先选9Cr3Mo系列高合金冷轧辊钢,辊面进行硬铬处理,以提高辊面硬度和耐磨性,要求镀层硬度≥66 HRC,轧辊径向跳动控制在± 2μm范围内。主流辊压生产速度为20~120 m/min,辊压生产速度与轧辊直径、辊压压力要求等因素有关。

辊压压力根据辊径和辊长一般为150~600 t,在实际使用中,根据电池极片材料及配方、工艺要求选择不同的压力。压力精度需控制在±0.5%以内,避免过压导致活性物质破碎或欠压引发孔隙率超标。

4 结束语

本文对锂离子电池极片辊压工艺进行了分析,包括电池极片的辊压原理、辊压设备的功能以及影响辊压质量的因素;完成了锂离子电池极片辊压生产线总体设计,介绍了生产线的工作过程;确定了关键设备辊压机的基本结构与主要技术参数。所设计的锂离子电池极片辊压生产线对于提高锂离子电池极片辊压质量具有重要的意义,同时也可为其他类似薄膜材料生产线的设计提供借鉴。

[参考文献]

[1]丁纯,张铭鑫,孙露.中欧新能源汽车产业争端:现状、原因和前景[J].欧洲研究,2024,42(2):36-62.

[2]孙静娜,向文杰,黄华贵,等.锂电池极片轧制技术研究进展[J].中国冶金,2021,31(5):12-18.

[3] 陈华,阳如坤.锂电池制造工艺及装备[M].北京:化学工业出版社,2023.

[4]吴涵.基于EDEM的锂电池极片辊压工艺分析与优化[D].石家庄:河北科技大学,2024.

[5]王昭.电池极片轧辊的轧制机理及其仿真研究[D].天津:河北工业大学,2018.

《机电信息》2025年第17期第14篇