锂离子电池极片辊压异质微结构演化与性能相关性研究进展

在力争实现“碳达峰、碳中和”的“双碳”战略目标背景下,电池储能技术已成为我国汽车产业转型和经济可持续增长的重要发展方向。极片作为锂离子电池(LIB)的核心部件,决定了电池能量密度和服役安全性,而辊压工序是确保极片达到所需压实密度、提高电池综合性能的关键。然而,由于极片为“涂层-集流体-涂层”的典型层状复合结构,具有异质性特征,其中涂层为多孔可压缩结构,在辊压时涉及活性颗粒间和颗粒-集流体间的相互作用,因此,辊压变形机理极为复杂,厚度控制难度大,对后续性能表现影响显著。本文概述了极片辊压工艺基础理论、基本机理及性能的研究进展,有助于深入理解正负极片辊压-微结构-性能表现之间的相关性,为预测极片正向性能、设计极片反向工艺与微结构、完善辊压工艺设定和提高极片产品质量提供指导。

辊压温度对锂离子电池正极微观结构及性能的影响

为探究电极制备工艺中辊压温度对锂电池正极极片微观结构与电极性能间的关系,利用二辊轧机,制备了辊压温度为25℃和150℃两种正极极片,研究了辊压温度对正极极片微观结构、厚度一致性、力学性能及电化学性能的影响。结果表明,随着辊压温度的提高,极片涂层颗粒压实密度显著提高,孔径较小,炭胶相均匀分布黏附在活性颗粒上,涂层颗粒破碎、裂纹及孔洞等缺陷减少,涂层更容易形成导电/黏结网络的电极结构。相比于室温辊压极片,热辊压极片辊压厚度一致性提高,回弹率降低了50%,极片结合强度由182.77 N/m提高至237.37 N/m,提高了29.87%;抗拉强度由20.47 MPa提高至24.44 MPa,提高了19.39%;极片电阻率由158.05Ω·cm降低至119.41Ω·cm,降低了24.45%;电导率由0.63 S/m提高至0.84 S/m,提高了33.33%。两种极片所组装的电池,热辊压极片的电化学性能优于室温辊压极片,循环容量保持率提高了18.65%。本研究通过调控辊压温度等工艺参数来优化电极性能,可以适度提高极片性能,对锂电池极片工业化制备过程中优化电极性能提供了研究依据。

锂离子电池极片辊压微观结构演化与过程建模

为阐明锂离子电池极片辊压过程微观结构演化与宏观变形力学量化行为,通过分析变形区内极片涂层和集流体形貌特征。结果表明:辊压方向上活性颗粒密实度显著增加,将辊压对极片涂层的影响总结为碳胶相压缩、活性颗粒破碎及融合为二次颗粒。集流体整体未发生减薄,由于石墨硬度小,负极铜箔表面高度起伏均在600 nm以内,正极部分活性颗粒嵌入表面,最小涂层厚度时,正极部分活性颗粒嵌入表面的深度为2μm。同时,将活性涂层压缩简化为平面变形问题,利用微分单元法和压缩变形本构模型,将变形区分成若干个微元并进行受力分析,依此推导变形区压力分布及轧制力计算公式,构建单位轧制力与涂层厚度、压实密度的关系模型,该模型可为实施AGC厚度精确控制及工艺优化提供理论基础。

锂电池极片轧制技术研究进展

动力锂离子电池作为新能源汽车的"心脏",其核心部件——正负极片的轧制厚度一致性、压实密度及剥离强度等指标直接决定着锂电池关键性能及安全性。针对锂电池极片轧制工艺技术及装备,介绍了近年来国内外学者在极片新型轧制工艺、轧制后极片微结构及性能、轧制过程工艺模型及极片轧制设备等方面的研究现状及研究成果,并结合未来锂电池行业需求及极片制备行业发展现状,对极片轧制工艺研究及装备工艺智能化升级方向进行了展望。