锂电池极片辊压温度如何影响动力电池性能

前言

极片表面涂层材料的压实密度与电池的电化学性能有很重要的关系，合理的压实密度可有效增加电池的电化学性能，降低电极的接触电阻和交流阻抗，增加参与电化学反应的活性材料面积，从而显著提高极片涂层材料的电化学性能。

极片制造工序主要是涂布和轧制工艺，其中，轧制工艺很关键。极片轧制工艺主要解决以下几点关键问题：

（1）降低极片在轧制过程中的延伸率和宽展率，降低极片涂层材料孔隙结构的破坏率；

（2）提高极片涂层的厚度一致性，以改善极片的横截面形状。

（3）提高极片轧制后电极材料的压实密度一致性；

（4）减少极片轧制后表面电极材料的反弹；

极片表面涂层材料的压实密度与电池的电化学性能有很重要的关系，合理的压实密度可有效增加电池的电化学性能，降低电极的接触电阻和交流阻抗，增加参与电化学反应的活性材料面积，从而显著提高极片涂层材料的电化学性能。锂离子电池极片制造属于高精度制造范畴，极片轧制区别于板带材轧制，板带材轧制是一个金属材料发生纵向延伸和横向宽展的过程，轧制过程中材料密度不发生变化。而电池极片表面的电极材料是一种孔隙结构，轧制过程中正负极片上电极材料被压实，密度发生变化，极片轧制是一个孔隙结构被填充，涂层颗粒逐渐密实的过程。

极片辊压的目的有以下几点：

1）保证极片表面光滑和平整，防止涂层表面的毛刺刺穿隔膜引发短路；

2）对极片涂层材料进行压实，降低极片的体积，以提高电池的能量密度；

3）使活性物质、导电剂颗粒接触更加紧密，提高电子导电率；

4）增强涂层材料与集流体的结合强度，减少电池极片在循环过程中掉粉情况的发生，提高电池的循环寿命和安全性能。

此前，锂电池极片辊压工艺基础解析（点击阅读）文章分享了辊压基础知识，有人询问辊压温度对电池极片和电池性能的影响，本次分享一份资料，摘取其中部分说明锂电池极片辊压温度的影响。极片辊压分为冷轧和热轧两种方式，目前国外已经广泛采用热轧的方式进行极片轧制，而国内还是多采用冷轧的方式。与冷轧相比，热轧主要有以下优点：

1）可以减少约50%的极片反弹；

2）利用较小的轧制力即可将极片的厚度压缩到工艺需求的厚度，轧制力最大可减小62%；

3）增强涂层材料与集流体的结合力，减少电池在充放电循环过程中掉粉情况的发生，提高电池的循环寿命。

刘彬彬等采用LiFePO4作为正极材料，锂片作为负极材料，制成扣式锂离子电池，以面密度、压实密度和厚度一致性三个参数为指标，考察了正极片的轧制温度对电池极片和电池电化学性能的影响。

图1 不同轧制温度下的极片厚度

图1为涂敷厚度为 100 μm 的极片在不同轧制温度下的厚度曲线，如图所示，随着轧制温度由 20°C 增加为 90°C 再增加为 160°C，极片厚度偏差由±1.9μm 降低为±1.3 μm 再降低为±0.8μm，极片厚度一致性逐渐提高，这是因为随着轧制温度的增加，极片涂层变形抗力减小，可塑性变好，使得极片表面厚度更加均匀。

图2 不同轧制温度下的极片涂层材料表面SEM图

图2为不同轧制温度下的极片涂层材料表面 SEM 图，如图中所示，轧制温度为20°C 时，极片涂层表面部分区域颗粒结合较为紧密，部分区域还不够紧密，且存在少量微孔；轧制温度为 90°C 时，极片涂层表面颗粒紧密结合程度增加，紧密结合区域增加，微孔数量在减少；轧制温度为 160°C 时，极片涂层表面颗粒紧密结合程度进一步增加，紧密结合区域进一步增大，微孔数量进一步减少。轧制温度的不同改变了涂层的变形抗力，使得极片涂层材料表面具有不同的致密程度。

图3 各样品电池的库仑效率

图3是各样品电池的库伦效率，9#、8#、3#分别为20°C、90°C 、160°C条件下辊压极片制作的电池。由图3可见，当轧制温度从 20°C 提高到 90°C 再提高到 160°C 时，样品的库仑效率也有所提高。库仑效率是在同一充放电循环中放电比容量与充电比容量的比率，极片的厚度一致性提高时电阻就会降低，库仑效率也会相应提高。

图4 各样品电池的循环伏安性能

图 4为各样品的循环伏安性能曲线，9#、8#、3#分别为20°C、90°C 、160°C条件下辊压极片制作的电池。由图可见实验样品中当轧制温度为 160°C 时，向上的氧化峰与向下的还原峰对称性较好，峰位差也最小，充电和放电的可逆性也最好，证明库仑效率必然也高。