極片反彈對(duì)鋰電池生產(chǎn)的影響

在實(shí)際生產(chǎn)中，有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)極片在幾小時(shí)后或者在其它工序之后，極片厚度比輥壓之后的極片厚度有增大的現(xiàn)象，這就是極片的反彈。極片處于不同的階段，其厚度反彈（例如輥壓反彈、干燥反彈、充放電反彈等）的原因不同，其中最根本的原因是壓實(shí)密度的選擇不合理。

一、極片反彈

鋰離子電池生產(chǎn)過(guò)程中，極片制造屬于前段工序，在整個(gè)過(guò)程中占據(jù)著重要的位置。極片質(zhì)量的好壞，關(guān)系著鋰電池中段組裝工序的進(jìn)行，也影響著后段及鋰電池的電化學(xué)性能。

極片制造主要由漿料制備、集流體涂覆活物質(zhì)、極片輥壓以及極片分切組成。分散均一的鋰電池漿料通過(guò)狹縫擠壓式或預(yù)計(jì)量轉(zhuǎn)移式涂布頭涂覆在正負(fù)極集流體鋁箔或銅箔上，經(jīng)過(guò)不同階段溫區(qū)的烘箱干燥，去除漿料中多余的水分或NMP溶劑，就形成了最初的鋰電池電極極片。

涂覆完成的極片初始孔隙率高，粘結(jié)性較低，有著不利于電解液的浸潤(rùn)、活物質(zhì)顆粒間接觸電阻大、鋰電池使用過(guò)程中活物質(zhì)容易剝離集流體等弊端，嚴(yán)重影響了鋰電池電化學(xué)性能的發(fā)揮。故涂布完成后的極片，需要經(jīng)過(guò)輥壓工序來(lái)改善其性能。

從涂布到輥壓，極片經(jīng)歷了從厚變薄，孔隙率從大變小的過(guò)程。我們期望的電極極片是在不破壞正負(fù)極活物質(zhì)顆粒形貌的基礎(chǔ)上，具有適當(dāng)?shù)目紫堵屎妥钚〉慕缑娼佑|電阻。意味著在以上的基礎(chǔ)下，極片被壓的厚度越薄越好，但是，在實(shí)際生產(chǎn)中，有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)極片在幾小時(shí)后或者在其它工序之后，極片厚度比輥壓之后的極片厚度有增大的現(xiàn)象，這就是極片的反彈。極片處于不同的階段，其厚度反彈（例如輥壓反彈、干燥反彈、充放電反彈等）的原因不同，其中最根本的原因是壓實(shí)密度的選擇不合理。

通常情況下，原材料供應(yīng)商會(huì)給鋰電池企業(yè)提供一個(gè)最大壓實(shí)密度的范圍，這個(gè)壓實(shí)密度范圍是根據(jù)材料的真實(shí)密度、材料組成、硬度等參數(shù)得出的。壓實(shí)密度選取過(guò)大或過(guò)小都是不正確的，壓實(shí)密度過(guò)小極片內(nèi)孔隙率較高，活物質(zhì)顆粒接觸不緊密，電池內(nèi)阻大影響了鋰電池的電化學(xué)性能；壓實(shí)密度過(guò)大則會(huì)造成活物質(zhì)結(jié)構(gòu)破壞，顆粒之間無(wú)足夠的空隙，內(nèi)部排斥力過(guò)大，出現(xiàn)輥壓后厚度反彈。

二、極片反彈對(duì)鋰電池生產(chǎn)的影響

極片厚度在輥壓后出現(xiàn)微小的反彈也是正常現(xiàn)象，但是如果反彈值較大，則可能會(huì)影響中段的電芯封裝及電池性能。輥壓后極片在1-2h后會(huì)持續(xù)出現(xiàn)反彈，之后厚度值會(huì)趨于穩(wěn)定。除了要考慮輥壓后靜止中極片出現(xiàn)的厚度變化，極片在烘烤后也會(huì)出現(xiàn)反彈值變化。在電芯入殼或者鋁塑膜封裝后，向內(nèi)注入電解液后，隨著電解液的滲透，溶劑分子進(jìn)入極片粒子空隙中，占據(jù)了極片內(nèi)部空間，造成極片體積增加，也會(huì)導(dǎo)致整體厚度增加。在鋰電池使用過(guò)程中，由于電解液分解產(chǎn)氣、鋰離子脫嵌極片膨脹等，可能會(huì)造成電池整體厚度超過(guò)電池的設(shè)計(jì)值，出現(xiàn)鼓包，引起安全問(wèn)題。

三、控制極片反彈的方法

1.選擇合理的壓實(shí)密度

對(duì)于極片的反彈，要選取合適的壓實(shí)密度值。只有選擇了合適的壓實(shí)密度值，才能兼顧電池電化學(xué)性能和電池的厚度。舉例說(shuō)明：采用三種壓實(shí)密度的正極極片，分別為極片A壓實(shí)密度為 3.75g/cc，極片B壓實(shí)密度為3.85g/cc，極片C壓實(shí)密度為3.95g/cc。分別在烘干后及預(yù)充電后測(cè)試相應(yīng)位置的極片厚度，計(jì)算其相對(duì)于輥壓后極片厚度的反彈率，反彈率的結(jié)果如表1所示：

表1.不同壓實(shí)密度、階段下極片的反彈率（%）

從上表中數(shù)據(jù)可以看出，隨著極片壓實(shí)密度的增大，極片在預(yù)充前的反彈厚度越大。雖然在較低的壓實(shí)密度（3.75g/cc）下，極片在烘烤之后預(yù)充前的厚度反彈率最小，為2.33%。但是，在經(jīng)過(guò)預(yù)充之后，極片A的厚度反彈率超過(guò)了極片B。預(yù)充電過(guò)程中，鋰離子從正極材料中脫出，經(jīng)過(guò)電解液嵌入負(fù)極。對(duì)于極片C來(lái)說(shuō)，顆粒之間接觸緊密，電解液浸潤(rùn)較為困難，預(yù)充電時(shí)鋰離子也不能順利地從正極脫出嵌入負(fù)極材料中，同時(shí)顆粒之間存在應(yīng)力排斥故極片C的反彈率最高。對(duì)于過(guò)小的壓實(shí)密度極片A來(lái)說(shuō)，由于A中活物質(zhì)顆粒接觸不緊密，孔隙率大，電解液進(jìn)入電極空隙，造成極片厚度膨脹。所以，選擇合適的壓實(shí)密度是至關(guān)重要的。

2.改善輥壓工藝

通過(guò)鋰電池制作及電化學(xué)性能評(píng)測(cè)后，確認(rèn)最佳的活物質(zhì)壓實(shí)密度。之后，就是要提高輥壓工序的輥壓精度，以確保實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)值和輥壓實(shí)際值的吻合。為了提高輥壓精度，降低極片反彈值，一是采用二次輥壓的方式，另外一種方式是采用熱輥工藝。

在鋰電池生產(chǎn)過(guò)程中，由于輥壓速度較快，對(duì)于不同的材料極片反彈性質(zhì)也不同，一次輥壓往往無(wú)法達(dá)到對(duì)極片厚度、壓實(shí)密度及質(zhì)量的要求，二次輥壓可以有效改善輥壓精度的問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，二次輥壓需要在一次輥壓2小時(shí)之后在干燥房?jī)?nèi)進(jìn)行。間隔2小時(shí)是為了保證極片有足夠長(zhǎng)的時(shí)間彈性形變，并維持在穩(wěn)定的狀態(tài)。

極片熱軋工藝也是降低極片反彈的有效方案之一，熱軋工藝的主要目的有：

①去除極片里的水分；

②減小極片在軋制后的表面材料的反彈率，熱軋可以減少約50%的極片反彈；

③消減極片的內(nèi)應(yīng)力，因?yàn)樵诜智谢蚰で泄ば蜻M(jìn)行時(shí)，極片往往由于內(nèi)應(yīng)力的釋放而產(chǎn)生蛇形、翻轉(zhuǎn)等不良現(xiàn)象；

④由于在極片熱軋過(guò)程中，電池材料中的粘合劑處于熔融狀態(tài)，這樣可增強(qiáng)活性物質(zhì)與集流體之間的粘合力，否則輥壓時(shí)膜層容易脫落、掉粉。

⑤降低電池極片的變形抗力，致使極片上活性物質(zhì)的孔架結(jié)構(gòu)不被破壞，有利于提高活性物質(zhì)吸液量指數(shù)的提高。

熱軋工藝主要有兩種方式，一種是將極片加熱后經(jīng)過(guò)輥輪進(jìn)行壓實(shí)。將極片在輥壓前加熱到180攝氏度，之后進(jìn)行軋制，其極片厚度可控制在±2微米。另一種方式是將輥壓機(jī)的輥?zhàn)蛹訜?，進(jìn)行輥壓。這種熱輥工藝就需要考慮到輥?zhàn)又械臏囟确植己洼佔(zhàn)邮軣嵝巫兊膯?wèn)題了。