CN103325993B - 极片辊压成型方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种极片辊压成型方法及装置。所述极片辊压成型方法包括步骤：将浆料涂覆于集流体的表面，制成极片；极片进入涂布机烘箱，进行烘干；将烘干处理的极片牵引进入到辊压机构中进行辊压；其中，对极片进行烘干处理和辊压机构进行辊压均在涂布机烘箱中进行。所述极片辊压成型装置用于实施所述极片辊压成型方法，其包括：涂布机烘箱，对集流体涂布有浆料的极片进行烘干处理；以及辊压机构，对烘干处理的极片进行辊压；其中，辊压机构设置在涂布机烘箱内。所述极片辊压成型方法及装置能提高电芯的电化学性能并且能够减小极片厚度反弹，在工业生产上操作简单，易于实现。

Description

极片辊压成型方法及装置

技术领域

本发明涉及一种压力成型技术，尤其涉及一种极片辊压成型方法及装置。

背景技术

锂离子电池作为新能源领域最具代表性的储能器件，在移动电子产品供电器件中占据不可取代的位置。尤其在动力电池领域，对电池的大倍率充放电性能和厚度更薄有了更高的要求。

目前阳极片辊压是获得一定的压实密度的方法：常温下，采用圆辊机构，调节上下辊间隙和压力，对极片进行辊压，使石墨颗粒受挤压堆积，颗粒间的间隙减小，压实密度增大，当将极片压实到一定厚度时，就能获得工艺要求的压实密度。但是这种方法获得极片存在两个缺点；1)涂布烘烤过程中，粘结剂极易上浮至极片表面，而在冷压压实后，极片形成致密的粘结剂和石墨混合层，影响了电解液的浸润，降低了电芯的电化学性能，造成电芯在大倍率充电时，阻抗增大，倍率性能和低温循环性能变差；2)常温环境下对极片进行辊压，粘结剂会有一个缓慢的应力释放过程，体现为极片厚度的反弹，导致极片厚度增加，增加了电芯变形的可能。

发明内容

鉴于背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种极片辊压成型方法及装置，其能提高电芯的电化学性能并且能够减小极片厚度反弹。

为了实现上述目的，在第一方面，本发提供了一种极片辊压成型方法，其包括步骤：将浆料涂覆于集流体的表面，制成极片；极片进入涂布机烘箱，进行烘干；将烘干处理的极片牵引进入到辊压机构中进行辊压；其中，对极片进行烘干处理和辊压机构进行辊压均在涂布机烘箱中进行。

为了实现上述目的，在第二方面，本发提供了一种极片辊压成型装置，用于实施根据本发明第一方面所述的极片辊压成型方法，其包括：涂布机烘箱，对集流体涂布有浆料的极片进行烘干处理；以及辊压机构，对烘干处理的极片进行辊压；其中，辊压机构设置在涂布机烘箱内。

本发明的有益效果如下：

第一，将辊压机构集合到涂布机烘箱中，且辊压机构结构简单，操作方便，可调灵活性高，整合了工序，提高了生产效率；

第二，通过辊压的方式就能获得涂层内部致密外部疏松的结构，更有利于电解液的吸收及浸润，简单快捷地提高电芯的电化学性能；

第三，在涂布烘箱中用较小的压力提前将极片辊压到一定的压实密度，不但可以避免极片表面颗粒被压碎，而且可以减小后续冷压工序的辊压力甚至取消冷压，这样既保证了极片的性能；

第四，由于在涂布机烘箱中辊压时，处于密闭热风循环状态，在此高温状态下辊压时极片粘结剂软化，内应力小，使极片厚度反弹小、一致性好。

附图说明

图1为根据本明的极片辊压成型装置的结构示意图；

图2为采用普通冷压方法制备的辊压组阳极片与采用本发明的极片辊压成型方法制备的普通组阳极片的断面SEM图谱其中，(a)显示为普通组阳极片截面颗粒结构；(b)显示为辊压组阳极片截面颗粒结构；

图3为辊压组阳极片和普通组阳极片的孔隙率－孔径大小关系对比图；

图4为采用本发明极片辊压成型方法制备的辊压组极片制成的电芯与采用普通冷压方法制备的普通组极片制成的电芯的倍率性能对比图；

图5为采用本发明极片辊压成型方法制备的辊压组极片制成的电芯与采用普通冷压方法制备的普通组极片制成的电芯的低温循环性能对比图；

图6为采用本发明极片辊压成型方法制备的辊压组极片制成的电芯与采用普通冷压方法制备的普通组极片制成的电芯在循环后的厚度对比图。

其中，附图标记说明如下：

1涂布机烘箱  2辊压机构

11箱壁       21脚位固定块

12风口       3冷压机构

13出口       4极片

具体实施方式

下面参照附图来详细说明根据本发明的极片辊压成型方法及装置。

首先说明根据本发明第一方面的极片辊压成型方法。

参照图1，根据本发明的极片辊压成型方法包括步骤：将浆料涂覆于集流体的表面，制成极片4；极片4进入涂布机烘箱1，进行烘干；将烘干处理的极片4牵引进入到辊压机构2中进行辊压；其中，对极片4进行烘干处理和辊压机构2进行辊压均在涂布机烘箱1中进行。

由于烘干过程中极片4是由外及内逐渐干燥的，这样可以通过选择极片4未完全干燥的位置进行辊压，这时的极片4内部处于湿软状态，外部处于干燥状态，这样可以得到内部致密、外部疏松的双层空间颗粒堆积结构。使用这种结构的极片4的电芯具有更好的电化学性能，同时在半干燥半湿软的状态下辊压可以明显减小粘结剂受压时的内应力，使极片4辊压后的厚度反弹更小，厚度一致性更好。

在根据本发明的极片辊压成型方法中，可选择地，极片辊压成型方法还可包括步骤：将辊压机构2进行辊压后且从涂布机烘箱1中出来的极片4进行冷压(即冷辊压)。进行冷压前，从涂布机烘箱1中出来的极片4可以进行正常收卷；然后再开卷进行冷压。当然不限于此，从涂布机烘箱1中出来的极片4可以无需收卷而直接进行冷压。

对辊压后的极片4进行正常收卷后，如果在涂布机烘箱1中已经将极片4压到要求的压实密度则不需要二次冷压，否则，需要将卷料的极片4再进行开卷并用辊压机进行二次冷压，将极片4压实到工艺要求的压实密度，之后将极片4制备成电芯，可获得倍率性能良好和厚度反弹小的电芯。极片4在涂布机烘箱1中进行烘干时，在涂布机烘箱1中具有一定烘干温度的条件下对极片4施加一定的压力，将极片4辊压到一定的压实密度。如果极片4依然需要进行后续的冷压，此时只需要较小的压力就可以压实到工艺所需的压实密度，在这种较小的压力下极片4表面颗粒被压碎的可能性降低，从而保证了电解液的浸润性并保持了容量的发挥。

在根据本发明的极片辊压成型方法中，优选地，将浆料涂覆于集流体上速度为4～20m/min。

在根据本发明的极片辊压成型方法中，优选地，涂布机烘箱1的温度为40～120℃，极片4的湿度为1～20％，使极片涂层处于半干燥半湿软状态。

在根据本发明的极片辊压成型方法中，优选地，辊压机构2提供的辊压压力为1～10000kgf，辊压机构2的辊压速度为4～20m/min。辊压机构2的辊压速度与浆料涂覆于集流体上速度一致。

在根据本发明的极片辊压成型方法中，优选地，集流体为正极集流体或负极集流体。例如，正极集流体可以为铝箔，负极集流体可以为铜箔；所述浆料对应为正极活性物质浆料或负极活性物质浆料，如正极活性物质浆料中的活性物质可以为钴酸锂等，负极活性物质浆料中的活性物质可以为石墨、硅等。

在根据本发明的极片辊压成型方法中，优选地，极片4可以为锂电池极片或超级电容器极片。

其次说明根据本发明第二方面的极片辊压成型装置。

参照图1，根据本发明的极片辊压成型装置用于实施根据本发明第一方面所述的极片辊压成型方法，其包括：涂布机烘箱1，对集流体涂布有浆料的极片4进行烘干处理；以及辊压机构2，对烘干处理的极片4进行辊压；其中辊压机构2设置在涂布机烘箱1内。

在根据本发明的极片辊压成型装置中，如图1所示，优选地，涂布机烘箱1设置有通入风的风口12。优选地，风口12设置在涂布机烘箱1的箱壁11，可设置为多个。

在根据本发明的极片辊压成型装置中，如图1所示，优选地，所述极片辊压成型装置还包括：冷压机构3，依据辊压机构2对烘干处理的极片4进行辊压后的极片4的压实密度进行冷压。进行冷压前，从涂布机烘箱1中出来的极片4可以进行正常收卷；然后再开卷进行冷压。当然不限于此，从涂布机烘箱1中出来的极片4可以无需收卷而直接进行冷压。

在根据本发明的极片辊压成型装置中，如图1所示，优选地，辊压机构2的脚位固定块21固定在涂布机烘箱1的风口12上。

在根据本发明的极片辊压成型装置中，如图1所示，优选地，辊压机构2安装在与涂布机烘箱1的出口13相距7-15m处。

在根据本发明的极片辊压成型装置中，优选地，将浆料涂覆于集流体上速度为4～20m/min。

在根据本发明的极片辊压成型装置中，优选地，涂布机烘箱1的温度为40～120℃，极片4的湿度为1～20％，使极片涂层处于半干燥半湿软状态。

在根据本发明的极片辊压成型装置中，优选地，辊压机构2提供的辊压压力为1～10000kgf，辊压机构2的辊压速度为4～20m/min。辊压机构2的辊压速度与浆料涂覆于集流体上速度一致。

在根据本发明的极片辊压成型装置中，优选地，集流体为正极集流体或负极集流体。例如，正极集流体可以为铝箔，负极集流体可以为铜箔；所述浆料对应为正极活性物质浆料或负极活性物质浆料，如正极活性物质浆料中的活性物质可以为钴酸锂等，负极活性物质浆料中的活性物质可以为石墨、硅等。

在根据本发明的极片辊压成型装置中，优选地，极片4可以为锂电池极片或超级电容器极片。

最后简单给出测试过程。

取人造石墨、丁苯橡胶(SBR)、羧甲基纤维素钠(CMC)、导电炭按照96:1:1:2的质量比进行混合搅拌，加入去离子水控制得到粘度在2500mPa·S左右的阳极浆料，将浆料分为两组，一组为普通组，一组成为辊压组。

普通组采用转移涂布方式涂覆于铜箔上，涂布速度为8m/min，制成阳极片；阳极片进入烘箱，烘干温度为85℃；阳极片收卷；之后将收卷之后的阳极片开卷，采用冷压机构3将阳极片进行冷压到工艺厚度，得到普通组阳极片。

辊压组采用转移涂布方式涂覆于铜箔上，涂布速度为8m/min，制成阳极片；阳极片进入涂布机烘箱1，烘干温度为85℃；在涂布机烘箱1内安装此辊压机构2，辊压机构2安装在长度为15m长的涂布机烘箱1第10米位置，然后将烘干处理的阳极片牵引进入到辊压机构2中进行辊压，辊压时阳极片湿度为5％，辊压压力为500kgf，辊压后阳极片收卷。之后将收卷之后的阳极片开卷，采用冷压机构3将阳极片进行冷压到工艺厚度，得到辊压组阳极片。

取钴酸锂、聚偏氟乙烯(PVDF)、导电炭按照97:1.5:1.5的质量比进行混合搅拌，加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶剂控制得到粘度在5000mPa·S的阴极浆料。阴极浆料采用转移涂布方式涂覆在铝箔上，再采用冷压机构辊压到要求厚度。将阴极片和对应的两组阳极片隔离膜卷绕或者叠片组装得到裸电芯，经过注液(电解液为1Mol/LLPF6(EC:DMC:DEC:EMC＝2:1:2:1(质量比)))、以及化成等工艺分别制备成普通组电芯和辊压组电芯。

首先将普通组阳极片和辊压组阳极片的断面进行SEM扫描；其次通过液氮吸附并在室温下脱附的气体体积来测量空隙率；最后将普通组电芯和辊压组电芯进行分别以0.2/0.5/1/2C进行恒流放电(1C＝理论容量电流)倍率性能测试和分别以0.5/0.5C恒流充放电进行500和1000次充放电循环。

从图2和图3可以看出，辊压组的阳极片呈现内部致密外部疏松的结构，而普通组的阳极片的外部致密。从图3可以看出，辊压组阳极片外部空隙率为41％，阳极片内部空隙率为29％，普通组阳极片空隙率为28％。

从图4的倍率放电和图5的1000循环后容量看，普通组电芯已衰减到83％和85％以下，而辊压组电芯仍保持在90％和86％以上。

从图6中500次循环后厚度对比，可以看出，普通组电芯厚度膨胀率有9-10％，而辊压组电芯厚度膨胀率只有6-7％，减少了电芯厚度的膨胀，且电芯外观不变形。

此外，表1和表2给出了利用普通组和辊压组制得的的极片进行测试的结果。其中测试过程为：取辊压压好的极片，用千分尺测量一张极片不同位置(在此取10个位置)的厚度。

表1普通组极片厚度变化

表2 辊压组极片厚度变化

综上所述，通过对比两组的性能测试结果，得出采用本发明的极片辊压成型方法及装置制备的极片厚度反弹更小，厚度一致性更好，且不易变形；采用本发明的极片辊压成型方法及装置制备的极片制成的电芯，倍率和低温性能更好，电化学性能更优良。

Claims (10)

1.一种极片辊压成型方法，包括步骤：

将浆料涂覆于集流体的表面，制成极片(4)；

极片(4)进入涂布机烘箱(1)，进行烘干；

将烘干处理的极片(4)牵引进入到辊压机构(2)中进行辊压；

其特征在于，对极片(4)进行烘干处理和辊压机构(2)进行辊压均在涂布机烘箱(1)中进行，辊压机构(2)对极片(4)进行辊压时极片(4)的湿度为1～20％。

2.根据权利要求1所述的极片辊压成型方法，其特征在于，所述极片辊压成型方法还包括步骤：

将辊压机构(2)进行辊压后且从涂布机烘箱(1)中出来的极片(4)通过冷压机构(3)进行冷压。

3.根据权利要求1所述的极片辊压成型方法，其特征在于，将浆料涂覆于集流体上速度为4～20m/min。

4.根据权利要求1所述的极片辊压成型方法，其特征在于，涂布机烘箱(1)的温度为40～120℃。

5.根据权利要求1所述的极片辊压成型方法，其特征在于，辊压机构(2)提供的辊压压力为1～10000kgf，辊压机构(2)的辊压速度为4～20m/min。

6.一种极片辊压成型装置，用于实施根据权利要求1-5中任一项所述的极片辊压成型方法，包括：

涂布机烘箱(1)，对集流体涂布有浆料的极片(4)进行烘干处理；以及

辊压机构(2)，对烘干处理的极片(4)进行辊压；

其特征在于，辊压机构(2)设置在涂布机烘箱(1)内。

7.根据权利要求6所述的极片辊压成型装置，其特征在于，涂布机烘箱(1)的箱壁(11)设置有通入风的风口(12)。

8.根据权利要求6所述的极片辊压成型装置，其特征在于，所述极片辊压成型装置还包括：

冷压机构(3)，依据辊压机构(2)对烘干处理的极片(4)进行辊压后的极片(4)的压实密度进行冷压。

9.根据权利要求6所述的极片辊压成型装置，其特征在于，辊压机构(2)安装在与涂布机烘箱(1)的出口(13)相距7-15m处。

10.根据权利要求7所述的极片辊压成型装置，其特征在于，辊压机构(2)的脚位固定块(21)固定在涂布机烘箱(1)的风口(12)上。