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輥壓工藝底子進程
工業(yè)生產(chǎn)上，鋰電池極片一般選用對輥機連續(xù)輥壓壓實，如圖1所示，在此進程中，雙面涂敷顆粒涂層的極片被送入兩輥的空地中，在軋輥線載荷作用下涂層被壓實，從輥縫出來后，極片會發(fā)生彈性回彈導致厚度增加。因此，輥縫大小和軋制載荷是兩個重要的參數(shù)，一般地，輥縫要小于要求的極片畢竟厚度，或載荷作用能使涂層被壓實。其他，輥壓速度的大小直接決議載荷作用在極片上的堅持時間，也會影響極片的回彈，畢竟影響極片的涂層密度和孔隙率。
在軋制速度Vcal下，極片通過輥縫時，線載荷可由式（1）核算：qL = FN / WC其間，qL為作用在極片上的線載荷，F(xiàn)N為作用在極片上的軋制力，Wc為極片涂層的寬度。輥壓進程極片微觀結(jié)構(gòu)的演化通過輥縫，極片被壓實，涂層密度由初始值ρc，0變?yōu)棣裞。壓實密度ρc可由式（2）核算：其間，mE為單位面積內(nèi)的電極片重量，mC為單位面積內(nèi)的集流體重量，hE為電極片厚度，hC為集流體厚度。而壓實密度與極片孔隙率相關，物理上的涂層孔隙率εc,ph可由式（3）核算，其意義為顆粒內(nèi)部的孔隙和顆粒之間的孔隙在涂層的體積分數(shù)：
其間，ρph為涂層各組成材料均勻物理真密度。
在實踐的輥壓工藝中，跟著軋制壓力改動，極片涂層壓實密度具有必定規(guī)矩，圖2為極片涂層密度與軋制壓力的聯(lián)絡。
此階段壓力相對較小，涂層內(nèi)顆粒發(fā)生位移，孔隙被填充，壓力稍有增加時，極片的密度快速增加，極片的相對密度改動有規(guī)矩。
曲線 II 區(qū)域，為第二階段。此階段壓力繼續(xù)增加，極片經(jīng)緊縮后，密度已增高。孔隙已被填充，漿料顆粒發(fā)生了更大的壓實阻力。壓力再繼續(xù)進步，但極片密度增加較少。因此時漿料顆粒間的位移現(xiàn)已削減，顆粒許多的變形還沒初步。
曲線 III 區(qū)域，為第三階段。當壓力超越必定值后，壓力增加極片密度也會繼續(xù)增加，隨后又逐漸峻峭下來。這是由于當壓力超越漿料顆粒的臨界壓力時，顆粒初步變形、破碎，顆粒內(nèi)部的孔隙也被填充，使極片密度繼續(xù)增大。但當壓力繼續(xù)增加，極片密度的改動逐漸峻峭。
實踐極片軋制進程的情況十分復雜。在第一階段，粉末體的細密化雖然以漿料顆粒的位移為主，但一同也有少量的變形。在第三階段，細密化以漿料顆粒的變形為主，一同也會存在少量位移。
其他，由于正負極材料本身性質(zhì)差異，正負極極片輥壓進程微觀結(jié)構(gòu)改動也不相同。正極顆粒材料硬度大，不簡略發(fā)生變形，而石墨負極硬度小，壓實進程會發(fā)生塑性變形，如圖3所示。中等程度的壓實會減輕石墨的塑性變形量，鋰離子嵌入和脫出阻力更小，電池循環(huán)穩(wěn)定性更好。而載荷過大可能導致顆粒破碎。正極極片中由于活性物質(zhì)導電性很差，與負極比較，輥壓進程引起導電劑分布改動對電子傳導影響更明顯。
壓實密度對電化學功用的影響
在電池極片中，電子傳導首要通過，而鋰離子傳導首要通過多孔結(jié)構(gòu)中的電解液相進行，電解液填充在多孔電極的孔隙中，鋰離子在孔隙內(nèi)通過電解液傳導，鋰離子的傳導特性與孔隙率密切相關。孔隙率越大，相當于電解液相體積分數(shù)越高，鋰離子有用電導率越大。而電子通過活物質(zhì)或碳膠相等固相傳導，固相的體積分數(shù)，迂曲度又直接決議電子有用電導率。孔隙率和固相的體積分數(shù)是互相敵對的，孔隙率大必定導致固相體積分數(shù)下降，因此，鋰離子和電子的有用傳導特性也是互相敵對的。
一方面，壓實極片改進電極中顆粒在之間的接觸，以及電極涂層和集流體之間的接觸面積，下降不可逆容量丟失接觸內(nèi)阻和交流阻抗。另一方面，壓實太高，孔隙率丟失，孔隙的迂曲度增加，顆粒發(fā)生取向，或活物質(zhì)顆粒表面粘合劑被揉捏，約束鋰鹽的渙散和離嵌入/脫嵌，鋰離子渙散阻力增加，電池倍率功用下降。
輥壓工藝參數(shù)的影響規(guī)矩
前面提到輥壓工藝直接決議極片的多孔結(jié)構(gòu)，而線載荷、速度等輥壓工藝參數(shù)對極片微觀結(jié)構(gòu)到底有什么樣的影響呢？德國布倫瑞克工業(yè)大學研討人員Chris Meyer等做了相關的研討。
他們研討發(fā)現(xiàn)，鋰離子電池極片的壓實進程也遵照粉末冶金范疇的指數(shù)公式（4），這提醒了涂層密度或孔隙率與壓實載荷之間的聯(lián)絡。
可以通過實驗數(shù)據(jù)擬合得到，分別標明某工藝條件下涂層可以抵達的最大壓實密度以及涂層壓實阻抗。
研討者對表1中所示NCM三元正極極片和石墨負極極片進行輥壓實驗，研討輥壓工藝參數(shù)對極片涂層密度和孔隙率的影響規(guī)矩。根據(jù)材料物理真密度核算，當孔隙率為0%時，正極涂層密度應該為4.3 g/cc，負極涂層密度應該為2.2 g/cc。而實踐上根據(jù)實驗數(shù)據(jù)擬合得到了參數(shù)標明正極涂層抵達的最大密度約3.2 g/cc，負極約為1.7 g/cc。
圖4是輥壓線載荷和正負極極片涂層密度的聯(lián)絡，不同的載荷和輥壓線速度條件下收集實驗數(shù)據(jù)點，然后選用指數(shù)方程（4）對數(shù)據(jù)進行擬合，得到相應的方程擬合參數(shù)，列入表2中。標明為涂層的壓實阻抗，較低值標明跟著線載荷增加，涂層密度可以較快抵達最大值，而較高的阻抗值標明涂層密度較慢抵達最大值。從圖4和表2中可見，輥壓速度對涂層密度影響較小，較小的速度導致涂層密度略微增加。其他，正負極極片的壓實進程差異大，正極極片壓實阻抗大約為負極的一倍多，這是由于正負極材料特性差異引起的，正極顆粒硬度大，壓實阻抗大，而負極顆粒硬度小，壓實阻抗小，更簡略輥壓壓實。
此外，從孔隙結(jié)構(gòu)角度分析輥壓工藝的影響。電池極片涂層的孔隙首要包括兩類：顆粒材料內(nèi)部的孔隙，標準為納米-亞微米級；顆粒之間的孔隙，標準為微米級。圖5是不同輥壓條件下正負極極片中孔徑分布情況，首要很明顯可以看到極片壓實可以減小孔徑標準并下降孔隙含量。跟著壓實密度增加，與正極比較，負極孔徑標準更明顯下降，這是由于負極涂層壓實阻抗低更簡略被輥壓壓實。一同數(shù)據(jù)標明輥壓速度對孔隙結(jié)構(gòu)的較小。
從涂層的孔隙率角度考慮，輥壓線載荷與涂層孔隙率之間也可以通過指數(shù)方程擬合得到規(guī)矩，圖6是線載荷與正負極極片涂層孔隙率的聯(lián)絡，不同的線載荷作用下對正負極極片進行輥壓，通過物理真密度核算孔隙率、一同也通過實驗丈量涂層的孔隙率，得到的數(shù)據(jù)點作圖并進行線性擬合，效果如圖6所示。
輥壓工藝對鋰電池極片微觀結(jié)構(gòu)影響巨大，特別是對多孔結(jié)構(gòu)，因此，輥壓工藝激烈影響電池功用。總歸，在鋰電池技術(shù)研討與開發(fā)中，我們相同需求特別注重制造工藝。
