锂电池辊压机锂电池极片辊压机原理及工艺|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

锂电池极片辊压机原理及工艺

电池极片的轧制是轧辊与电池极片之间产生摩擦力，把电池极片拉进旋转的轧辊之间，电池极片受压变形的过程。电池极片的轧制不同于钢块的轧制，轧钢是板材沿纵向延伸和横向宽展的过程，其密度在轧制过程中不发生变化，而电池极片的轧制是正负极片上电池材料压实的过程，其目的在于增加正极或负极材料的压实密度，合适的压实密度可增大电池的放电容量、减小内阻、减小极化损失、延长电池的循环寿命、提高锂离子电池的利用率。

电池极片轧制设备是从轧钢机械演变过来的，一般由机架部分、传动部分及电控部分组成。根据机械结构与辊压模式，本文介绍三种常用的锂离子电池极片辊压机及其工艺特点：

手动螺旋加压式极片轧机 、气液增压泵加压式极片轧机 、液压伺服加压式极片轧机 。

1 、手动螺旋加压式极片轧机

这种设备由减速电机驱动高硬度压辊旋转，采用斜块式辊缝调节装置机械调整压辊间隙，使极片受压成型，增加极片密度，主要用于轧制单片的电池极片，辊压示意如图1所示。这种设备主要应用于实验室，通过设定辊缝值使轧辊在极片上加载压力，没有额外的加压装置。因此，一般实际压力比较小，辊压极片压实密度受到限制，而且一般最大辊缝受机械装置限制，存在一个最大值，一般不能辊压太厚的极片。

图 1 手动螺旋加压调辊缝示意图

2 、气液增压泵加压式极片轧机

气液增压泵加压方式电池极片轧机采用楔铁和丝杠离线调节辊缝，不能对轧辊间隙和轧制力进行实时在线调节，成本比较低，能够轧制对称涂布的电池极片，如图2。

图 2 极片轧机实物照

这种轧机的辊缝由可变厚度的中间斜楔调整，调隙原理：在轧辊两端的轴承座之间各有两块斜面相贴的调隙斜铁。通常固定其中一块较薄的称为静斜铁，移动另一块较厚的称为动斜铁，当两块斜铁在斜面方向上有相对位移时，组合出不同的厚度，进而有了不同辊缝。如图3所示。一般使用步进电机带动斜铁滑块运动的机构，把步进电机的旋转运动转化为轧辊之间距离的调整，其结构图见图4。在用伺服电机驱动斜铁移动时，为了能更直观看到的辊缝，所以调整斜铁到轧辊两端缝隙刚好为零，把斜铁的这个位置称为原点，并安装一个限位开关称为原点开关。

图 3 斜楔调隙示意图

图 4 缝隙部分步进电机机械结构

图 5 斜楔式电池极片轧机示意图

图5是斜楔式电池极片轧机受力示意图，液压缸压力F作用在轧辊两侧的轴承座上，极片轧制时，液压缸压力F分解为作用在楔铁上的力和作用在极片上的有效轧制力。轧制基本过程为：设电池极片进入轧机前，轧机加压液压缸的压力为零时，预调节辊缝值S0。利用气液增压泵加压后，轧辊轴承座以及楔铁将会被压缩，两轴承座中心距离将会缩短，由于轧辊不会接触，所有的压力将会作用在楔铁上，设缩短的距离为x0，液压缸预紧力为F，则：

式中，K1是楔铁的刚度。当电池极片有浆料的部分进入轧机时，电池极片厚度增加，将会有轧制力作用在电池极片上，轧辊和轧辊轴承座将会产生弹性变形，楔铁所受的力减小。作用在楔铁上的作用力F1为：

式中，x作用在电池极片上的有效轧制力P为：

式中，h为辊压后极片厚度，S0为液压缸的压力为零时预调节辊缝值，x为两轧辊轴承座中心距离的减小量，K2为上下辊系的串联刚度，如图5所示，上下辊系的刚度分别为K21和K22，有：

作用在楔铁上的力F1与有效轧制力P的和等于液压缸的压力F，即：

联合这几式，则有：

由此式可知液压缸压力F、预调节辊缝S0、来料厚度H等对极片有效轧制力P和辊压厚度h的影响。将上下辊系的弹性变形曲线A、电池极片的塑性变形曲线B 和轴承座与楔铁弹性变形曲线C 画在同一图中，如图6所示，O点所对应的横纵坐标就分别是有效轧制力和极片轧出厚度。

图 6 带楔铁的弹塑性曲线叠加的有效轧制力 - 辊压厚度图

工艺参数调节要点

锂离子电池极片的压实过程也遵循粉末冶金领域的指数公式，这揭示了涂层密度或孔隙率与压实载荷之间的关系。极片被压实，在线载荷qL= FN / WC作用下（FN作用在极片上轧制力，WC极片涂层轧制宽度），涂层密度由初始值ρc,0变为ρc，有：

其中，ρcρc,max和γc为常数，某一种极片可以通过实验数据拟合得到。

但是，在带楔铁的轧机中，设定的液压缸压力F并不是完全作用在极片上，而是分解为作用在楔铁上的力和作用在极片上的有效轧制力两部分。而且分量随着辊压参数设定不同而不一样。

（1）液压缸压力F保持不变时，辊缝调定不同的值，如果预辊缝S0比较小时，轴承座与楔铁脱开，压力全部作用在极片上，预辊缝由小增加直至某临界值之前，辊压厚度都不会变化，但这种情况不是很稳定。超过临界值，预辊缝S0继续增加，作用在极片上的有效轧制力不断减小，极片厚度增加。

（2）预调定辊缝S0比较合适且不变时，如果液压缸的压力F调定值小于某一个值，在轧辊辊压极片时，轴承座就会与楔铁脱开，压力全部作用在极片上，随着油缸压力增加，作用在极片上的有效轧制力也增加，辊压厚度减小。但液压缸压力大于此值后，油缸压力继续增大，增大的压力基本消耗在楔铁上了，有效轧制力增加不明显。

（3）辊缝和液压缸压力设定不变，轧制不同厚度的电池极片。来料厚度变小时，辊压厚度也随之减小，但是损耗在楔铁上的压力增大，而有效轧制力减小，，涂层压实密度不会保持恒定。

（4）目前，气液增压泵加压式极片轧机的实际使用过程中，没有一个统一的调节辊缝与液压缸压力的方法。调定一个比较小的辊缝，液压缸液压小一些；或者调定一个较大的辊缝，液压缸压力增大些，都能轧出同样厚度的电池极片。为了使液压缸的压力得到有效的利用，减少压力增加导致的系统能量损失，应该使消耗在楔铁上的压力尽量减小，但是为了有一定的富裕度，可以使得油缸压力略大于所需轧制力，可以根据下式算出所需要的预辊缝：

3 、液压伺服加压式极片轧机

AGC（AutomaticGauge Control）轧机是一种具有在线自动厚度调节技术的极片轧机，目前最先进的是全液压压下调节装置。液压伺服控制加压式极片轧机不再使用楔铁调节辊缝值，液压缸压力能够完全作用在电池极片上，为了能够实时控制作用在电池极片上压力和液压缸活塞位置，加压系统采用阀控缸的液压伺服控制系统。这种方式结构简单，灵敏度高，能够满足很严格的厚度精度要求，可实现恒压力、恒间隙轧制。传递的力和功率大的液压伺服控制系统的引入使得极片轧机能够实现压力和辊缝的在线实时调节，轧制单双层交替涂布的极片时，单层部分也能得到比较好的轧制效果，使得轧制极片的质量大大提高。轧制过程中有杆腔通过减压阀、溢流阀和蓄能器的组合保持一个恒定压力。上下轴承座之间有四个柱塞缸，通过减压阀和溢流阀的组合保持恒压以平衡上辊系的重量。

机座的刚度采用轧辊压靠法测定，确定过程具体如下：两轧辊之间没有电池极片、轧辊空转的情况下，上轧辊慢慢压下，使上下轧辊直接接触压靠。轧辊接触压靠后，控制液压伺服缸，使上轧辊继续下降，使轧机工作机座产生弹性变形。然后控制上轧辊慢慢上升，两轧辊慢慢分开，测量轧制力和液压缸体与活塞相对位置的对应关系。缸体与活塞相对位置的变化反应的就是工作机座的弹性变形。

图 7 液压伺服加压式电池极片轧机示意图

液压伺服系统加压式电池极片轧机加压机构示意图如图7，液压压力全部作用在极片上，有效轧制力P为：

其中，K为整个机架的刚度，h为辊压厚度，S0为预调节辊缝。

液压伺服加压式极片轧机能够实时控制作用在电池极片上压力和液压缸活塞位置，具备恒压力、恒辊缝两种轧制模式。

恒 辊缝轧制

图8 恒辊缝(100μm)轧制实验曲线

如图8所示，当轧辊从电池极片有浆料部分辊压到无浆料的过程中，因为电池极片的突然变薄，上轧辊会突然下降然后快速恢复的原位置，轧机机座的弹性变形减小，轧制力也相应减小。当轧辊从电池极片的基带部分辊压到有浆料部分的过程中，上轧辊会突然上升然后下压到要求的位置，轧机机座的弹性变形增大，轧制力也相应增大。但总体来看，位移波动不是很大。

目前甚至出现双闭环控制系统，内环位置控制环（APC）是的核心控制环节，其输出为轧辊的实际位置或称实际辊缝，即现恒辊缝轧制。外环为极片厚度控制环，实时在线检测极片厚度，厚度反馈信号用来修正位置环的辊缝设定值，通过液压伺服控制，使轧辊快速动作，以达到迅速消除厚差的目的。

恒压力轧制

图9 恒轧制力（单侧400KN）轧制实验曲线

如图9所示，当轧辊从电池极片有浆料部分辊压到无浆料部分的过程中，因为电池极片的突然变薄，轧制力会有一个减小的波动，再快速恢复到设定值，上轧辊也相应下降。当轧辊从电池极片的基带部分辊压到有浆料部分的过程中，轧制力会有个增大的波动，再快速恢复到设定值，上轧辊也相应上升。但总体来看，压力波动不是很大。

由于轧机两侧机械结构制造装配的不完全对称、传动侧与传动轴相连、电池极片在辊系间的位置也不能保证在中间，位置的变化有一定差别。由于电池极片负载的特殊性，如何克服在过极片间隙时，减小压力的波动等问题还有待进一步解决。

参考文献

【1】袁丛林. Φ800电池极片轧机液压控制系统建模、仿真及实验研究[D]. 燕山大学, 2013.

【2】王旭. 电池极片轧制与分切设备的控制系统研究[D]. 河北工业大学, 2013.

【3】崔巍, 唐致远, 李中延. 锂离子电池制片过程中辊压工序的若干问题[J]. 广东化工, 2009, 36(8):93-93.

【4】王永洲. 电池极片轧机轧辊有限元分析[D]. 天津大学, 2013.

【5】张伟, 袁丛林, 刘广阔. 电池极片轧机液压压下系统的建模仿真与实验研究[J]. 中国机械工程, 2014, 25(24):3267-3271.

【6】高健. 冷轧机辊缝位置精确控制技术的研究[D]. 哈尔滨工业大学, 2016.

【7】国思茗, 朱鹤. 锂电池极片辊压工艺变形分析[J]. 精密成形工程, 2017, 9(5):225-229.

【8】羌菊兴, 罗文钦. 轧钢过程中影响辊缝的因素研究及模型设计[J]. 宝钢技术, 2004(4):56-58.

【9】苏庆玮, 王立华. 轧机液压辊缝控制冗余压力检测系统的研究与应用[J]. 矿冶, 2015, 24(s1):166-170.

【10】许战军. 轧机液压辊缝控制系统的原理及应用[J]. 硅谷, 2012(21):10-11.

【11】刘斌斌. 动力锂离子电池极片精密制造理论与实验研究[D]. 太原科技大学, 2017.

【12】Meyer C, Bockholt H, Haselrieder W, et al. Characterizationof the Calendering Process for Compaction of Electrodes for Lithium-IonBatteries[J]. J Mater Process Tech, 2017, 249: 172-178.

【13】Oladimeji C F, Moss P L, Weatherspoon M H.Analyses of the Calendaring Process for Performance Optimization of Li-IonBattery Cathode[J]. Advances in Chemistry, 2016, 2016: 1-7.

【14】Haselrieder W, Ivanov S, Christen D K, et al.Impact of the Calendering Process on the Interfacial Structure and the RelatedElectrochemical Performance of Secondary Lithium-Ion Batteries[J]. ECS Transactions, 2013,50(26): 59-70.

本文授权转载自公众号：锂想生活（ID：LIB-Life），作者：miko woo

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锂电制备设备——辊压机

辊压是将涂布完成的产品，经过一定间隙和一定压力下的两个钢辊，将极片压实到指定厚度的过程 。辊压工艺能够使极片的表面保持光滑和平整，从而可以防止因极片表面的毛刺刺穿隔膜而引起的电池短路隐患，提高电池的能量密度。辊压工艺可对涂覆在极片集流体的电极材料进行压实，从而使极片的体积减小，提高电池的能量密度，提高锂电池的循环寿命和安全性能。

辊压设备主机结构形式：①按轧辊形式划分，根据客户不同工艺要求，辊压机主机轧辊分为有弯辊和无弯辊两种形式 。无弯辊结构轴承座内部设有消除主轴承径向游隙及轴向定位机构。有弯辊结构通过弯辊缸消除主轴承径向游隙及减小或消除辊面挠度变形。

②按驱动方式划分，可以分为单电机驱动结构和双电机驱动结构 。单电机驱动结构采用驱动电机-减速机-分速箱-万向联轴器-轧辊传动形式，通过分速箱实现轧辊机械同步。双电机驱动结构采用驱动电机-减速机-万向联轴器-轧辊传动形式，采用同步电机通过电控实现轧辊机械同步。

③按施压方式划分，可以分为机械螺杆压紧结构和液压油缸压紧结构 。机械螺杆压紧结构设备主要通过设定辊缝值使轧辊在极片上加载压力，没有额外的加压装置。因此一般实际压力比较小，辊压极片压实密度受到限制。液压油缸压紧结构液压缸安装于下辊系两端的轴承座下部，置于口字形机架内部下面。采用柱塞缸向上顶起施压，在柱塞缸的作用下实现下辊系向上移动，并施加辊压力，通过顶紧液压缸施压，压力稳定，可以施加较大的压力，是目前主流使用的施压方式。

辊压机基本结构：标准配置高精度辊压机为立式安装口字形机架、两辊上下水平布置、下置液压缸向上施压，伺服电机减速器调整辊缝、整体底座、双输出轴减速机分速器通过万向联轴器传动的高精度电池极片辊压机。辊压机主要由机架、轧辊、主传动等部分组成 。机架为整个系统的基础，需要有足够的刚度和强度以减小变形。液压装置通过轴承座将辊压力施加到轧辊上，电机和减速机使两轧辊实现同步转动，为轧辊提供扭矩，保证连续辊压过程的实现。辊缝调整机构由两个调隙斜铁组成，调整两轧辊之间的缝隙，满足不同极片的厚度要求。

辊压机组成主要包括机械主体、液压系统、电气控制系统等 。机械主体是指压机的主要机械部分，主要包括支架、轧辊、机座以及其他辅助元件。机械主体的弹性变形、相互运动部件之间的摩擦力等对控制精度有一定的影响。液压系统主要是由冷却循环系统、阀控缸动力元件、伺服缸有杆腔油压控制阀组、平衡缸压力控制阀组、油箱及其他辅助元件组成 。

系统油源采用恒压变量泵比采用定量泵加溢流阀的方式节能，伺服液压缸的无杆腔连接伺服阀。辊压过程中有杆腔通过减压阀、溢流阀和蓄能器的组合保持一个恒定低压。上下轴承座之间有四个柱塞缸，通过减压阀和溢流阀的组合保持恒压以平衡上辊系的重量。

电气控制系统主要由低压供电系统、信号测量反馈系统、信号处理显示控制系统和控制信号的转换放大系统组成。低压供电系统主要是一些直流电源，分别给位移传感器、液压伺服放大器、滤波器、液压阀电磁铁等供电。信号反馈系统主要是位移传感器和压力传感器，用于检测液压伺服缸的位置和系统中各个部分的油压。