科路得全电池制作大讲坛第六讲——辊压篇

为了不在茫茫人海中失联，请把我们设为“置顶公众号”哦。

点击上方蓝字“科路得” →进入新页面，点击右上角“...” → 点击第一栏“置顶公众号 ”。

一、讲课部分

各位晚上好！上次课主要介绍了电池的涂布工序，今天要介绍的是辊压工序，主要内容是介绍辊压工序的作用和相关影响。

首先,简单介绍下辊压的原理，也就是通过上下两个辊将极片的厚度压低的一个过程。商业化的辊压机主要有放卷装置、对辊机和收卷装置三个核心部件。

辊压的主要目的包括控制极片厚度，提高压实密度，提高极片电子电导，改善粘接等作用。其中控制极片厚度，也就提高了电池的能量密度，待会我们都会一一介绍

这是一个辊压过程的上料简图和顺序

除了刚才我们提到的收放卷和辊压机之外，实际辊压装置还会包括一些纠偏装置(防止收卷不齐)和切边装置

特别是正极极片的辊压，因为铝箔和涂料区的延展不一样，如果不提前切边，会出现波浪边的问题，也就是极片有打皱的情况

我们来看一下极片辊压前后的变化，这里以三元材料为例，可以看到，辊压后的极片表面微微发亮，边缘空箔也会被切掉，单面部分还会微微打卷

一般来说，辊压效果可以从以下几个方面判断：第一是外观，辊压后表面是否光滑发亮；第二，看厚度是否达到目标值，从而确定压实密度；第三，正极还可以通过对折极片，检查辊压后极片的柔韧性

当然，不同的材料压实出来的图片都不完全一样，建议还是通过压实密度来控制是最为合理的

这里首先提到的是改善极片的电子电导，我们知道极片是包括材料，粘接剂和导电炭的，那整个极片的电子电导跟这三个部分都直接相关

如果我们完全不做辊压，也是可以传输电子的。但是由于种种原因（颗粒与颗粒之间的孔隙大，导电炭的量不够，材料本身的导电性又比较差等），极片内很难形成好的电子导电网络，往往就会造成电池内阻大、极化大、容量发挥不出来、倍率性能差等一系列问题，甚至还会出现涂料脱落的情况

通过左图我们也可以看见压实密度和膜片内阻的关系，当压实比较低的时候，提高压实可以明显的减低膜片内阻；但是当压实达到一定程度后，我们发现，内阻就基本趋于稳定

我们可以看看这几张SEM图，左边是辊压前，颗粒与颗粒之间是非常松散的。右边是辊压之后的，明显看见表面被压平，颗粒之间更加紧密，接触点也明显增多，所以在颗粒表面和颗粒之间的导电炭(这里使用的是SP)就可以很好的发挥电子导电作用，将整个极片的电子网络导通

辊压的第二个作用就是提高能量密度了，提高能量密度，这也是很多企业都在研究的。提高能量密度，简单说就是当电池的尺寸固定的时候，如果你的极片更薄的话，那你极片的长度就可以增加，这样就可以提高活性材料的加入量，从而提高容量，进而提高能量密度

比如一些普通的石墨负极，压实到1.45g/cc就可以，但是手机电池里面的石墨负极至少都是1.65g/cc。并且一些高端的都可以做到1.8g/cc的压实了。这样在同样的电池体积下，活性材料更多，容量也就更高

当然，如果在高校做研究的老师可能没有必要去做这么大的压实，而且因为受冷压设备限制，也不见得压的到位

辊压的第三个作用就是提高粘接力了，如果没有经过压实的极片，特别是负极极片，用手是比较容易把膜片弄掉的，但是经过压实之后，会发现这个粘接有明显提升

这张图在前面已经出现过，当时没有细说红色的孔隙率，由于辊压影响了极片的孔隙率，从而影响了电解液的吸收和电池的保液量，也就影响了极片的离子电导

一般来说，极片中的电解液越多，离子的通路就越多，这样极片的离子电导率也会越高

我们来看看电池的倍率性能，前面我们提到辊压的压实密度会影响电子电导，而上面呢又说会影响离子电导，这是因为他们是有相互影响的

当压实密度比较低的时候，电子电导占据主导，而当压实提高后，离子电导开始成为主要影响因素，所以也就出现了我们看到的，会有一个最优值，保证电池的电子和离子电导都较好，从而电池倍率性能最优

其实跟前面说到的孔隙率是直接相关的，孔隙率越大，留给电解液的空间就越多，电池可以保有的电解液量也就越多

而我们都知道，电池循环过程是一个缓慢消耗电解液的过程，所以一般来说，电解液量越多，电池的循环性能就会越好。所以相比来说，在1.35g/cc的压实下，电池中的电解液量会多于1.75g/cc，所以循环保持率也会更好

最后一个影响就是刚才那位同学提到的材料颗粒结构的完整性，可能大家相对关注的会比较少，经过辊压工艺后，必须保证颗粒状材料本身结构的完整性不被破坏，这样才能保证材料最佳性能的发挥。

由辊压机的结构及工作原理可知，辊与极片的接触可以说是“线面接触”，因为接触面积非常小，所以在辊压过程中极片表面会承受非常大的压力，这个压力有可能会破坏材料颗粒结构的完整性，这是在学校和科研过程不太注意的

现在很多硅碳的新材料，像崔屹老师做得比较多的结构，比如蛋黄结构，虽然是给内部的硅膨胀预留了很多空间，但是这种材料没办法经受正常的压实，结构不稳定，导致没办法实用化。所以，对于开发实用化的大家来说，压实的结构稳定性是大家后续可以多多关注的，否则，很难应用于实际生产

这节课就讲到这里了，感谢大家收听！接下来是答疑环节，欢迎大家踊跃发言，交流讨论

二、答疑部分

在课程最后的提问互动环节上，大家更加积极了，提出了很多问题。而科博士也一一耐心地给予了回答，还不忘收集大家对课程的建议。

-黑龙江大学 小老弟：“压太狠会有什么影响吗？”

-科博士：“压实过大的话，会有但不包括以下影响：1、极片单面打卷严重；2、负极出现粘辊现象；3、极片变脆，柔韧性变差，影响卷绕；4、压实过大，还会影响极片对电解液的吸收，进而影响电池的性能等。”

-等待：“怎样才能更好控制滚压的厚度呢？？”

-科博士：“多尝试。先调整辊缝，然后测压出来的厚度，换算为压实密度，然后不断调整，使其达到自己的要求。其实生产上的一线工人，他们对每种材料都有固定的压实厚度以及压力的，很方便。”

-三元前驱体～南瓜：“孔隙率是用压汞仪测得吗？”

-科博士：“孔隙率有专门的检测机器的，压泵仪是可以测的。”

-浪花雨：“离子电导和电子电导率用哪种方法可以方便测量？”

-科博士：“一般用EIS来测试离子电导。”

-头疼啊：“颗粒过压破碎可以用CP+SEM观测吗？如果在保持形貌的前提下，即将破碎的那个压实，会是它俩的权衡点？？”

-科博士：“对的，用CP做界面观察是比较清楚的；不一定的，从实际的情况来看，三元这种二次颗粒在压实过程有一定的破坏都是正常的。”

-天使不在线：“怎么样判断辊压效果？”

-科博士：“一般来说从几个方面判断，一个是外观，是否辊压发亮，第二是厚度是否达到目标值，第三个是检查辊压后极片的柔韧性。”

-其实，我是个好人：“那点面接触不是更好吗，用石墨烯？”

-科博士：“石墨烯的位阻效应现在还没有很好的解决办法。此外，现在的石墨烯都是层数比较多的，导电性本身也不如CNT。”

-黯然浪子：“切边能不能深入讲解一下？”

-科博士：“切边，最主要是为了解决辊压过充中，涂膜区集流体延展，而非涂膜区极片不延展的问题。由于辊压压力非常大，涂膜区的集流体延展率能够大于1%；而非涂膜区由于没有被辊压到，因此没有延展；因此集流体就会在涂膜区与非涂膜区的交界处打皱。”

-一点点：“正极会延展，负极会吗？”

-科博士：“正负极都有延展，只是负极延展比较小。”

-南大-锂电：“从极片表面上看，怎么看极片是否过压还是压实不够？”

-科博士：“从极片表面简单看的话，如果过压，极片会很亮，且极片易发脆。”

-zn:“之前压过一次，活性物质从集流体脱落了，捆压过程有啥小技巧吗？”

-科博士：“辊不干净，极片没干燥好，极片粘接力太差都会脱落(当然集流体有问题也会脱落)。”

-黑黑：“辊缝大小有合适的检测方法吗？”

-科博士：“设备有辊缝的测试装置。”

-聚合物电解质：“正负极用相同的导电剂可以吗？”

-科博士：“可以。”

-黑黑：“负极辊压（过压）容易粘辊和褶皱吧？”

-科博士：“负极辊压容易出现粘辊的问题，主要原因还是在于：1）负极的极片粘接力要差，2）负极如果干燥不好，容易出现粘接剂上浮，所以一般如果负极压实比较大的话，建议进行二次辊压，不要一次压实过大。”

-牧狼人：“有没有图片什么样的压的是好的？压后稍微发亮是好的吗？”

-科博士：“不同的材料压实出来的图片都不完全一样，建议还是通过压实密度来控制是最为合理的。”

-聚合物电解质：“粘接剂上浮是什么状态？”

-科博士：“这个是涂膜的问题了，这个上浮是肉眼看不出来的，之前有去测试过，测元素组份(就是膜片底层和表层某系特殊元素组成)，比如正极，就测F含量。这个不容易观察出来，但是表面相对会粘，所以容易出现粘辊。”

-一点点：“那负极测试呢？”

-科博士：“负极考虑用同位素来追踪。”

-@南大–锂电：“但是实验室辊压过后，极片会躬起来，这是什么原因了，有什么方法可以解决了？”

-科博士：“单面极片冷压过后容易卷起是非常正常的，因为应力集中在一面，如果是双面就会好很多，所以实验室可以适当降低压实密度。”

-一点点：“粘接力怎么测？”

-科博士：“有专门的拉力测试设备测试。”

-天使不在线：“拉力测试采用哪种方法来测？采用剥离力那种方法吗？”

-科博士：“是采用测试剥离力的方法。”

-黑黑：“拉力测试选取多宽的极片，粘贴面积多大较合理？正负极拉力多大属于合格？”

-科博士：“一般都是采用的双面胶的宽度，以30mm的居多。正负极的拉力主要还是根据内部的测试结果，以满足生产要求，定自己的内标比较合理。因为这个测试结果有些人为影响，所以相对比较会更合理。”

-天使不在线：“那开始测试的时候怎么分离这两层？”

-科博士：“先就用拉力机拉开一段距离就可以了，主要还是选择好胶带。”

-黯然浪子：“从电池设计的角度看，保液量越多越好吗？”

-科博士：“保液量多了，会有副作用的：
1）电池容易变得很软；
2）外观比较难看；
3）生产成本也会增加。
对于锂硫电池体系来说，电解液过多还会加入多硫化物的溶解扩散导致电池性能变差。”

-黯然浪子：“所以有最优区间是吗？”

-科博士：“是的。电池的保液量肯定是有一个区间的，这个值不同体系不同工艺是有差别的。”

-其实，我是个好人：“实验室涂膜100um，还需要辊压吗？”

-科博士：“我们建议都要做下极片辊压。其实这个就是本节课程的本质了：辊压是有这些目的的，如果你不在乎这些目的，是可以不压的。”

-黑黑：“辊压后测量极片电导率是用什么设备测的？”

-科博士：“通过测试膜片电阻，要将浆料涂在不导电的PET膜上，然后用四探针测试。”

-南大-锂电：“怎么检查极片的保液量了？”

-科博士：“保液量就是可以通过测试极片的孔隙率来控制，其实最后也就是控制极片的压实密度。”

-聚合物电解质：“孔隙率是怎么测的？”

-科博士：“孔隙率一般常用两种方法：1）理论计算法，2）压汞仪直接测试，但是因为汞有毒，所以现在测试的也少。你有条件可以去实测，只是用理论计算也比较容易，因为材料的密度是已知的。”

-小辉-华师-锂电：“材料密度会不会因为颗粒尺寸不一样而不同，最后导致理论计算也有误差呀？”

-科博士：“没错，会有误差。因为材料的真密度是密实的材料，但是有很多材料有内部的孔隙，或者是二次颗粒，这样都会有误差。一般这种方法比较适合相对比较。”

-南大–锂电：“理论计算怎么算了？”

-科博士：“你可以计算出现有极片的体积，然后知道了涂布极片的重量，里面的活性材料的重量和密度都已知，也就是材料(包括导电炭和粘接剂)占的体积也可以计算出来，那最后剩的就是孔隙了。”

-黯然浪子：“一般来说，间隙调节的比较少，主要都会通过压力进行厚度的控制.这个能深入点吗？辊缝和压力对辊压的作用差别在哪？”

-科博士：“辊压的发展趋势 应该是‘大压力大间隙’。这种状况下，保证极片的最小厚度是由压力大小控制的，出现极片过压的可能性会小很多(施加的压力再大也是有一定值的)。而‘小压力 小间隙’，就有可能出现过压的状况：如果膜片涂布厚度偏后，膜片的最好厚度就是有间隙大小控制的，间隙是固定的，会导致膜片的厚度不会超这个固定值，就有可能出现过压的状况。但是‘大间隙大压力’的设备应该会贵一些的。”

-碳酸饮料：“想请问下，做锂硫的话是不是不需要压实？”

-科博士：“也是需要辊压一下的，只是锂硫的辊压压力小很多，它的压实密度要低很多。”

……