国内外锂离子动力电池极片制造专用设备的新进展

６５Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ锂离子动力电池生产技术是现代 ＨＥＶ （混合动力车） 、 ＥＶ （电动车）应用技术和工程技术的基础。 而为动力电池生产配备的专用设备 （工艺装备） 是锂离子动力电池产业化发展的支撑。２０２０ 年 ＨＥＶ 将占世界汽车总数的 ５０％。我国 ２０１０ 年前，动力电池将迎来产业高潮。 但是从国外购买锂离子动力电池技术及其设备是受限制的， 特别是先进的极板制造技术及其设备不仅价格昂贵， 而且也不一定适合我国的国情。 因此抓紧动力电池产业化流程和生产线的设计、 研发是保证我国动力电池发展的重要战略步骤。发展与现状锂离子动力电池专用制造设备近年来发展异常迅速， 发展方向基本上是专用化、 全自动和高精度三个方面。具体可归为以下几点：１、将电池的制造工艺技术、参数融入到设备的设计和制造之中， 使设备真正成为保障电池生产厂独特工艺技术能够实现的专机。２、由于动力电池制造过程中电池极片的产量很大， 对极片生产设备的自动化和高效率提出了更高的要求。３ 、 由 于 动 力 电 池 多 为 成 组 使用，电池一致性要求高，对电池极片制造设备的使用稳定性和精度要求更高， 投料后保证极片产品的批次稳定性， 提高在每道工序生产的半成品的Ｃｐ 值和 Ｃｐｋ 值。４、对设备设计的安全性、防爆性能和三废排放将有更严格的标准。５、要求在设备的设计和制造过程中严格杜绝有害金属离子进入到极片半成品和成品中。６、在更换电池规格时，设备应便于调整，同时，便于维修和维护。极片制造关键设备国内外技术 状 况真空搅拌机：动力电池的制造，由于极片量大，需要搅制大量的电池正负极浆料，为了尽量保证电池的一致性，必须保证同一批次浆料的一致性， 这就要求搅拌机向大容量型发展， 同时解决以下关键技术：△高速状态下，存在腐蚀性气体的真空密封技术；△高速状态下，搅拌拐材料磨损对电池性能的影响；△搅拌机上与电池浆料接触的材料必须具备耐蚀性、高耐磨性、化学与物理稳定性。△搅拌形式必须使整个搅拌过程无死点并尽量避免搅拌过程中产生局部温升，浆料粉料粒度分布要求均匀。为动力电池生产配备的专用设备（工艺装备）是锂离子动力电池产业化发展的支撑。锂离子电池生产制造设备技术水平随着我国锂离子电池工艺技术的发展获得了迅速的提高，与国外的差距正在迅速缩小。国内外锂离子动力电池极片制造专用设备的新进展◇赵东林北京七星华创电子股份有限公司６６新材料产业 ＮＯ．９．２００６△搅拌拐的搅拌形式、搅拌速度以及与搅拌桶的间隙对浆料的影响， 特别是对粘结剂分子链剪切的影响。△搅拌机的设计中，应特别注重安全性和防爆性。国外锂离子电池厂认为搅拌工艺在锂离子电池的整个生产工艺中对产品的品质影响度大于 ３ ０ ％ ，是整个生产工艺中最重要的环节。 国外新型锂离子电池专用搅拌机在高速搅拌拐上采用多级冲动叶轮， 即在一根高速轴上安装多个叶轮， 每个叶轮上有倾斜的叶片， 叶片长度几乎延伸到器壁或挡板。当叶轮转动时，反向倾斜的叶片使靠近桶中心的液体向下流，靠近器壁的液体向上流， 壁面湍动和各向异性的自由湍动均为剪切流湍动。同时，在国外的搅拌机在低速拐设计中，采用双螺旋同步搅拌方式，避免了浆料“打旋”现象。电池锂离子浆料为多相系统， 在离心力的作用下不是造成混合而是造成分层或分离，其中的固体颗粒被甩到筒壁，然后沿筒壁沉落筒壁落到底面上， 造成了“打旋”现象。搅拌拐以及搅拌桶应采用耐腐蚀材料，同时，密封系统相关元件 （如阀门、 泵体等） 需净铜，避免铁、铜等元素对浆料的影响。国外的搅拌机多是实现自动供料配料的搅拌系统，能够实现粉料、粘结剂、溶剂的自动配比， 避免搅拌过程中人为的干扰因素， 便于搅拌工艺流程的精确控制， 保证浆料批次的一致性和稳定性。极 片 涂布机极片涂布机是极片制造工艺的关键工艺之一， 影响涂布质量的因素很多，涂布头的制造精度，设备运行速度的平稳性以及运动过程中动态张力的控制， 烘干过程风量风压大小及温度曲线控制都将影响涂布质量。 目前国际上主要采用日本平野的涂布机，涂布速度 ８ — １０ｍ／ｍｉｎ，烘干区间 ３０ — ４０ｍ；国内涂布机的涂布速度 ３ —５ｍ／ｍｉｎ， 烘干区间１０ —１２ｍ。随着近几年的不断研究， 对烘干方式及风量大小、 风压大小对涂布质量的影响有了进一步的认识， 烘干温度曲线不同的参数将影响电池极片材料的微孔架构。 因此出现了低温逐步烘干的设计思路，同时，对极片在烘箱内的状态也进行了研究。日本机型中，烘干方式上采用上下进风、 侧回流的“悬浮式”烘干方式，避免极片在箱体内的磨擦；在涂布方式上采用喷涂方式（Ｓｌｉｔ Ｄｉａ），以保证涂布的均匀性，该项技术国内厂家尚未拥有，是今后国内厂家需要研究的课题。目前， 在转移涂布方式上存在控制刮刀辊升降和控制涂辊与背辊差速来消除间隙涂布产生的起始与结尾高点的两种方式。 动力电池极片对涂布质量提出了更高的要求， 因此必须加强对如下技术的研究：△浆料粘度与涂布速度，烘干温度曲线的关系；△设备运行过程中运行速度偏差和动态张力的控制；△涂布方式如：转移涂布技术、喷涂技术（Ｓｌｉｔ Ｄｉａ） ；△ 烘 干 方 式 和 烘 干 温 度 曲 线 、风量、风压对涂布质量的影响；△全自动总线控制技术；△新材料、新工艺在本设备的关键部件的应用。成功解决极片浆料涂布的关键之一是选择合适的涂布方法。 锂离子电池极片涂布的特点是：双面单层涂布；浆料湿涂层较厚（ １ ０ ０ ～３ ０ ０ μｍ） ；浆料为非牛顿型高粘度流体；涂布支持体为厚度 １０～２０ μ ｍ 的铝箔或铜箔， 但极片涂布所特有的要求必须有特殊的技术才能解决。据此，国内外 ８０％ 以上涂布机的涂布方式如下图 １。涂布机构主要由涂布辊、背辊、刮刀辊以及其各自驱动系统组成。 涂布辊、 背辊的传动系统由于其提供速度的不连续会导致涂布精度下降。 为满足非常精确的涂布要求，涂布辊、背辊的驱动需要技术性能稳定可靠、动作灵敏、精度高的电机来担当。国图 １ 涂 布 机 构 原 理 示 意 图ｎｓｉｇｈｔ透 视Ｉ６７Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ外设计中，均采用带有精密行星减速器的伺服电机对涂布辊、背辊直接驱动。伺服电机是把输入的信号变为转轴的角位移或角速度输出，转轴的转向与转速随信号的电压方向和大小改变 （脉冲形式） 。 因此，伺服电机的电源波动也能够影响涂布精度，普通单相可控硅整流电源在低速涂布时有非常高的波动容量，这种波动将大幅度降低涂布质量。 因此， 电源波动可采用三相可控硅整流、脉宽限制（ＰＷＭ）电源或伺服控制器来降低 。同时，电池浆料供应系统也会造成涂布量不稳定， 这是因为精度不高的供料阀、 气动隔膜泵以及泵的气压不稳定都会造成浆料在料槽涌动使涂布辊转移时涂布量产生变化。 干燥系统的出风口的设计不合理会造成空气冲击引起片幅在涂布头颤动， 这也会影响涂布精度。这时，除了改变出风口形式，使干燥风以大风量，小风压的形式对涂层进行干燥以外， 基材的颤动还可以通过在涂布机构与烘箱入口增加隔离辊或由增加背辊上的包角来辅助解决。 振动也会给涂布精度带来影响， 干燥箱风机以及排风机与设备通风管道联接， 而通风管道与涂布机相联接， 风机的振动能引起通风管和涂布机振动并影响涂布量。同时， 周围机器造成的振动也会使涂布机振动，这些振动会传给片幅，它们能造成涂布横道， 解决振动对涂布影响的方法， 除了要将涂布机采用机械的方法隔振，加装减震垫铁，还要尽量避免风机与机架主体硬性联接和远离其它产生振动的设备。经过大量试验表明， 涂布辊， 背辊转速比率在确定浆料流动和涂布稳定性方面起重要作用。 通过定量间隙流动的润滑理论模型推算出定量膜厚度和速度及间隙宽度之间的线性关系。定量膜厚度正比于涂布辊、背辊定量间隙的宽度，并随辊速度比率（大部分的涂液被擦去）的下降而成线性的减少。在涂布过程中，如果两辊间隙比较小， 也就是在浆料粘度或速度比较小情况下， 在比较宽的速度比率范围内的流动比较稳定， 能够得到比较好的涂布表观质量。如果间隙比较大，在涂布速度较高时，就容易出现空气夹带， 在涂层表面有许多微小气泡。 有时为了增加产量， 采取提高涂布速度的方式， 有可能出现空气夹带的弊病，为了消除这种弊病，采取减小间隙的操作方法。但是过小的间隙，使涂布辊和背辊相互挤压，额外地增加了电机和减速机的负载， 造成不正常的磨损。 这也是浆料在转移涂布速度受限制的原因之一。电池浆料的流变性质也是影响涂布精度的重要因素。 流变性质是指粘度（粘度是剪切速度的函数）和粘弹性。 所有高分子溶液的粘度都和切变速度有关， 流体粘度具有随剪切速率增大而变稀的特性。因此，流体有一定的粘性是有助于改善涂布运行的情况， 但过高的粘弹性会引起竖条纹等弊病。用高粘弹性的高分子溶液进行实验， 由于出现竖条纹而观察不到稳定的窗口， 在高浓度时不再有喷涌的明显转变，但当速度比率增大时，定量膜逐渐地变成有更多的“斑纹”出现。在锂离子极片涂布中，浆料粘度比较大，因此涂布速度受到限制，只能在较低的速度涂布。另外，如果在辊轴直径已经确定的情况下（间隙 ／辊径比 Ｈ／Ｒ） ， 较大间隙时， 有利于均匀涂布。在 Ｌｉ－ｉｏｎ 电池 （锂二次电池） 的生产过程中，正、负极极片的制造是↑ 极 片 涂 布 机 是 极 片 制 造 工 艺 的 关 键 工 艺 之 一６８新材料产业 ＮＯ．９．２００６其工艺路线中的核心部分。因此，极片浆料涂布设备也就成为锂离子电池研制和生产成功的关键设备之一。 涂布机的涂布精度和浆料粘度、 设备的涂布方法有着必然的联系。正负极片滚压机锂离子动力电池工艺要求，极片的轧制工序要解决以下技术问题：△降低极片在轧制过程中的延展率，并减少微孔架构的破坏；△轧制后提高极片表面材料的密实度，并保证极片轧制后平整度；△减少极片在轧制后表面材料的反弹；国内外主流设备均采用极片连续轧制的方式，即放卷（含自动纠偏） 、切边（含除尘） 、滚压和收卷的极片密实方式。部分工艺需要加热，由于轧辊加热后变形不易受控，因此在极片进入轧辊之前可采用烘箱加热的方法对极片进行预热，国外也有用油加热过辊对极片进行加热的方法。动力电池极片滚压机未来主流机型应为辊径 ８ ０ ０ ～１ ０ ０ ０ 毫能以小功率的电信号输入， 控制大功率的液压能（流量与压力）输出，并能获得很高的控制精度和很快的响应速度。该系统能实现位置控制、速度控制、力控制。液压压下位置控制系统 （图 ２） ， 除了应能够承受最大轧制负载，满足轧辊辊缝调节最大行程，调节速度和控制精度等要求外， 执行机构—液压缸在外形尺寸上还受轧机牌坊窗口尺寸的约束， 结构上还必须保证满足更换轧辊方便等要求。分 切 机分 切 机 主 要 完 成 按 电 池 规 格 ，对经过碾压的电池极片进行分条的工序。 目前电池电芯的制造工艺主要有卷绕和叠片两种工艺方法， 对极片的主要技术要求是分条后的极片不能出现褶皱、脱粉，分条尺寸精度高等，同时极片边缘的毛刺小， 否则在毛刺上会产生枝晶刺破隔膜， 造成电池内部的短路。只有达到工艺要求，才能为下一道电芯的制作提供保障。目前国际上主流机型为日本西村专门为电池极片分条开发的机型。该机型实现了自动分切及除尘的功能，并配有自动放卷、纠偏、张力控制、 自动收卷、 切刀系统、 控制系统，基本满足电池工艺的要求。 今后发展的趋势必须要求对如下关键技术做进一步的研究：△对极片边缘的毛刺控制技术；△对极片运行过程中的张力控制 ；△由于极片分切对切刀的磨损， 因此对分切刀片材料及加工工艺的研究；△设备的全自动控制技术。国外锂离子电池极片全自动分切机主流机型的分切机构以由辊刀分切方式改成片刀组合连续剪切方式，从根本上解决了分切时极片产生毛刺的问题， 而差速分切的工作原理大大提高了极片的分切精度。 国外分切机液 压 能 源 干 扰ｕ ｉ ＋ ｕ ｅ给 定 指 令 伺 服 放 大 器 ｉ 电 液 伺 服 器 液 压 缸 负 载＋ ＋ ｘ ｐ位 置 传 感 器图 ２ 阀 控 液 压 缸 位 置 控 制 系 统 方 块 图伺 服 系 统机 液电 液气 液电 气 液控 制 信 号模 拟 量 数 字量 位 移 量控 制 参 数位 置 、 速 度 、加 速 度 、 力 、力 矩 、 压 力运 动 类 型直 线 运 动摆 动 运 动旋 转 运 动元 件 组 成１ ． 阀控制：阀 － 液压缸，阀 － 液 压 马 达 ２ ． 容 积 控制：变量泵 － 液压缸；变量泵 － 液压马达；阀 － 液压缸 － 变量泵 － 液压马达３ ． 其它：步近式力矩马达表 １ 液 压 伺 服 系 统 控 制 方 式 的 基 本 类 型米，辊面宽度 ６００～７００ 毫米，最大轧制压力 ２００～３００ 吨，极片轧制速度大于 １ ２ ～１ ５ 米 ／ 分钟。轧辊为硬度大于 ＨＲＣ６４ 的微米级高精度电镀镜面复合辊。在负荷走车时对主机牌坊的弹性形变和振幅均要严格的控制。采用大辊径滚压机主要是减小极片在滚压密实时的压入角，以接近平压， 减低极片的延展率， 保护极片涂层材料的孔架结构不被破坏、注液后极片不反弹、 不掉粉， 同时也避免后到分切工序时极片因为应力释放产生蛇形、翻转等现象。由于电池极片的设计越来越灵活， 电池极片的设计经常是正反面长度不对称以及间隔涂布， 这都将造成极片轧制时因极板厚度突变而轧制力不能及时响应， 造成极片轧制后密度不均等现象。因此，国外在滚压机液压系统上采用了液压伺服系统设计，使轧机能够对极片进行恒压力和瞬间变间隙的轧制。 具体做法是在液压伺服系统中采用液压伺服阀作为输入信号的转换与放大元件。 液压伺服系统ｎｓｉｇｈｔ透 视Ｉ６９Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ环锥式无级变速器在分切机构速度匹配上的应用，使差速分切原理得到有效的保证和实施。分切的极片由于电池工艺以及自身材料的要求其不能承受过大的拉力，因此本分切机采用了气动滑差结构。由独立的变频电机带动上下收卷轴，根据在线检测的卷径的变化计算出相应的锥度，由电气比例控制阀控制滑差套的摩擦力。气动滑差收卷在本设备的应用使得材料的收卷张力得到有效的控制，即稳定了分切精度，又保证了收卷质量。带式无级变速的应用使得极片的边料收集得到很好的控制。带式无级变速器的传动原理和工作方式基本与带传动相同。需要注意的是其机械特性与变速带轮的关系，即在工作机械要求恒功率特性下工作时采用主动轮为变速带轮，在工作机械要求恒转矩特性下工作时采用从动轮为变速带轮。边料的收集对极片的分切精度的影响也是相当明显的，尤其是第一条和最后一条的边缘。在没有边料张力控制的极片分切过程中，由于边料松弛，剪切过程中第一条和最后一条的边缘产生严重的毛刺。因此，分切的边料必须和其它卷料一样保持相同的张力控制。可是，在分切不同宽度的极片以及不同宽幅的极片分切相同的宽度都会产生不同宽幅的边料，根据材料张力的要求公式得知，片幅的张力和片幅材料的抗拉强度、宽幅有着正比关系。据此，在收集边料的过程中，其夹送辊的速度必须可调，用以适应不同宽幅的极片。在不影响整机的控制方式、节约能源、以及简化结构的条件下，最简单有效的方法就是在废料夹送辊的动力中增加无级调速装置。其他行业的分切机设备在收卷方式上大致有两种， 其一， 分切后的各卷统一中心收卷，集中收卷张力控制，因其分切材料具有较强抗拉强度主要应用于造纸、印刷等行业；其二， 机械滑差式中心收卷， 收卷轴集中张力控制，但每一卷材料可在收卷轴上打滑，打滑的摩擦力根据弹簧的材料、 大小、 热处理方式以及压缩程度来统一控制，主要应用于薄膜分切领域。在锂离子电池行业，根据锂离子电池工艺路线，在涂布时产生的涂布精度误差使极片涂敷后厚度会有所不均，导致在分切成条后的造成每卷极片卷曲的直径不同。 分切后每一卷材料拉力不均， 有个别卷过于脱卷而影响整机分切精度。同时，由于正、负锂离子电池极片的基材是铜箔或铝箔，其本身就不具有很高的抗拉强度。综上所述，对 分 切 机 的 收 卷 方 式 要 求 比 较 高 ，须适应电池极片的要求。国外锂离子电池极片全自动分切机收卷部分普遍采用气动滑差轴，这是一种精度较高，易于自动控制的滑差收卷方式。气动滑差轴是以空气压缩为原理，使滑差轴套内部的活塞移动，进而以一定的压力与固定套摩擦，且根据充气压力之大小来产生不同的滑转扭力值，便于控制分切机上每一卷材料卷取时张力调节。结 束 语我国自 １９９５ 年开始，锂离子电池生产制造设备技术水平随着我国锂离子电池工艺技术的发展获得了迅速的提高，与国外的差距正在迅速缩小。国内市场容量逐年加大，在近五年时间里， 锂离子电池设备需求量平均每年增长 １００％ 以上。 国内涌现了一批配套能力很强的二次电池专用设备制造商。 锂离子电池设备研制项目也获得了北京市政府有关部门的大力支持。 现已形成一批拥有自主知识产权的产品， 部分企业建立了自主创新的管理体系。 今后如能加强国内企业之间的策略联盟， 积极加强与国外企业的合作，通过企业的努力，一定会拥有我国自主知识产权的用于 ＨＥＶ、ＥＶ 产品的先进的电池生产设备参与国际竞争。↑ 国 内 涌 现 了 一 批 配 套 能 力 很 强 的 二 次 电 池 专 用 设 备 制 造 商 。