《储能材料与器件智能制造技术》课件-4.1.2 锂离子电池极片的生产

《储能材料与器件智能制造技术》锂离子电池极片的生产在锂离子电池“储存能量、释放动力”的奇妙过程中，极片作为直接参与电化学反应的核心部件，堪称电池的“心脏”。无论是新能源汽车的超长续航，还是储能电站的稳定供能，都依赖于极片精准的结构设计与高质量的生产工艺。从正极极片承载活性物质的高效氧化还原反应，到负极极片为锂离子提供稳定的嵌入脱出通道，极片生产的每一道工序，从浆料涂布、辊压成型到分切制片，都在微观尺度上塑造着电池的能量密度、循环寿命与安全性能。这项融合材料科学、精密制造与自动化控制的生产技术，已然成为推动锂离子电池产业不断革新、满足全球能源转型需求的关键引擎。极片是锂离子电池的核心部件之一，由正极和负极涂覆层与金属集流体复合而成，其生产过程直接影响电池的能量密度、倍率性能和循环寿命。除了浆料制备外，极片的生产还包括涂覆、干燥、辊压和分切四个步骤，如图所示。涂覆涂覆工艺是极片生产中的关键环节，其主要任务是将事先制备好的电池浆料均匀涂布在金属集流体（正极用铝箔、负极用铜箔）表面，形成具有一定厚度和均匀度的活性材料层，且涂覆层的面密度、涂覆区的宽度及留白区（未涂覆区）尺寸满足图纸要求。在实际生产中，首先采用高精度泵将浆料输送至涂布设备；涂覆方式可根据生产需求选择间歇涂覆或连续涂覆，常用的设备有狭缝涂布机或刮刀涂布机。涂覆过程中，控制涂层的均匀性至关重要，要求涂层重量误差控制在±1.5%以内，避免因局部厚薄不一而出现气泡或颗粒沉积，从而影响后续的活性层附着力和电化学性能。1）面密度：极片表面涂层物质在单位面积内的质量，用以表征正负极浆料或活性物质的涂覆量，直接关系到电池重量及电池容量发挥；涂布生产中的关键控制点是涂布面密度（涂布重量）、单双面错位尺寸和极片表面质量2）单双面错位尺寸：极片涂覆层的A面与B面正反对照处的边缘在极片宽度方向上的错位尺寸；错位尺寸应控制在一定范围，避免极片包覆不良；3）极片表面质量：涂覆后极片的表面外观水平；外观不良通常指涂覆区（含极耳涂胶区）划痕、极片褶皱、留白区褶皱、颗粒、气泡等；涂覆干燥涂覆完成后，涂层中的溶剂需要迅速蒸发，以使活性层完全固化并牢固附着于金属集流体表面。干燥工艺通常采用热风干燥的方式，通过高温热风使浆料中的溶剂快速蒸发。为保证干燥均匀，干燥通道通常分为多个阶段，各段温度和风速分别精确控制。正极材料的干燥温度一般控制在80-120°C之间，而负极材料则多在60-80°C左右，具体温度需依据所用溶剂的沸点和粘结剂特性进行调整。同时，为减少环境污染和能源浪费，干燥过程中产生的溶剂蒸汽会经过专门的溶剂回收系统进行回收利用。在磷酸铁锂电池的生产中，干燥温度的精准控制尤为重要，防止因温度过高导致粘结剂降解或活性材料结构改变。辊压干燥固化后的极片通常存在一定的多孔结构，通过辊压工艺可进一步提高极片的密度和导电性能，同时增强活性层与集流体之间的附着力。辊压工序一般采用高精度辊压机，通过调节辊压机的压力和辊筒温度，实现对极片压实密度的精准控制。三元正极压实密度通常要求达到3.2-3.6g/cm³，而负极则在1.4-1.8g/cm³之间。辊压过程中还需对极片施加适度的张力，防止因过大张力而导致材料破损，同时确保整个极片平整无裂纹。特别是在高倍率电池生产中，严格控制辊压密度能够在保证导电性能的同时，兼顾离子扩散效率，为电池整体性能提供保障。辊压辊压的目的是将涂布后的极片通过辊压机辊压至满足图纸要求的厚度规格，加工过程中配备激光自动测厚装置，实时监测辊压厚度。工业上，辊压工艺的关键控制点是辊压厚度、弓形高和极片表面质量：1）辊压厚度：指极片经辊压后的极片厚度，通常用万分尺进行测量；2）弓形高：取一定长度的辊压后极片，将两端固定并平整拉伸，测量该段极片弯弧中心与两端点连线的垂直距离，表征极片辊压后的延展变形程度；3）极片表面质量：辊压后极片表面质量需满足平整度、厚度一致性、无缺陷、合理孔隙率四大核心要求。表面平整无波浪翘曲、厚度均匀、无暗斑裂边等缺陷，且活性物质与集流体粘接牢固，无明显掉料。分切辊压后的极片需要根据电池设计要求进行精确裁切，以便后续电池组装。分切工艺通常采用高精度分切机进行裁切，要求极片裁切尺寸的误差控制在±0.1mm以内。分切过程中，极片的边缘必须经过清理处理，确保无毛刺或金属碎屑残留，以防在电池组装时引起短路或其他安全隐患。特别是在软包电池的生产中，分切后的极片需与叠片或卷绕工艺精准匹配，确保电池内部结构的紧密和整体性能的一致性。同时，分切过程中产生的废料也会进行分类回收和处理，实现资源的再利用和环保要求。极片生产的技术要求在整个极片生产过程中，各工序之间的衔接和工艺参数的严格控制是保证极片质量的关键。首先，必须保证涂覆、干燥、辊压和分切各环节的一致性，使得每一片极片在厚度、密度和尺寸上均保持高度一致，从而确保电池在组装后的性能稳定。其次，生产环境需要保持无尘状态，避免杂质侵入极片内部，影响其电化学反应。最后，优化溶剂回收及废料处理工艺，实现绿色生产和资源循环利用，符合现代环保要求。通过对涂覆、干燥、辊压和分切四个步骤的严格控制和优化，极片的生产不仅为锂离子电池提供了高质量的活性层，还为整个电池系统的高能量密度、长循环寿命和优良倍率性能奠定了坚实基础。各环节中所采用的先进设备和精密工艺，正不断推动锂离子电池向更高性能和更高可靠性方向发展。锂离子电池极片的生产，是一场在微观世界里追求极致的“智造”之旅。每一次浆料的精准涂布、每一回辊压的力度把控、每一步分切的尺寸苛求，都凝聚着科研与生产人员对电池性能提升的不懈追求。它不仅是电池制造的关键环节，更是新能源产业发展的重要支撑。尽管前行道路上充满技术挑战与环境压力，但随着工艺创新、智能升级与