[发明专利]锂离子电池极片超声波轧膜机

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池制造装备，特别涉及一种用于锂离子电池极片轧膜机。

背景技术

锂离子电池由正极、负极、隔膜和电解液组成化学体系，正极、负极极片的活性物质以颗粒材料制备浆料涂布在集流体铜箔或铝箔的两个表面。需要通过一道轧膜工艺，轧压（或称之轧膜）涂布在集流体铜箔或铝箔的表面涂层，消除活性物质颗粒间的间隙，以提高涂层密实度。轧膜的质量与锂离子电池的性能有着十分密切的关系，涂层密度小和间隙过大都会导致电池内阻增大，涂层密实度增加还有利提高电池的体积比容量。现有轧膜机沿用了传统轧钢机原理，存在轧压过程造成涂层与集流体的粘附结构剥离的问题。如图1所示，现有的锂离子电池极片轧膜机的轧膜过程是：上轧辊D1与下轧辊D2之间的间隙是电池极片轧膜工位，锂离子电池涂层极片随着上轧辊D1顺时针旋转和下轧辊D2同步逆时针旋转拽拖水平移动，处于上轧辊D1与下轧辊D2之间的锂离子电池涂层极片，在上轧辊D1与下轧辊D2相切位置，经上轧辊D1与下轧辊D2咬入拽拖，进入上轧辊D1与下轧辊D2的轧膜工位，锂离子电池涂层极片的两面涂层受轧辊面摩擦力作用被拽拉，在被拽拉过程，也是轧压的过程，锂离子电池涂层极片两面涂层中的颗粒一部分沿断面厚度方向垂直流动，起到增加密实度的效果；还有一部分涂层中的颗粒并非断面厚度方向垂直流动，这些非断面厚度方向垂直流动的颗粒并没有增加密实度。轧膜动力学研究表明，锂离子电池涂层极片轧压过程需要经过咬入—拽拖—轧压三个阶段。锂离子电池涂层极片分布在表面层、中心层、集流体与涂层两相界面层的厚度断面方向变形各有不同，沿极片厚度断面方向的应力分布存在不均匀；拉应力和压应力在入辊处、集流体与涂层两相临界面、出辊处都存在差异。依据材料塑性加工过程中塑性流动的最小阻力定律，锂离子电池涂层极片两面涂层颗粒的塑性变形和塑性流动服从最小阻力定律，涂层颗粒各质点将向着阻力最小的方向移动。依据上述理论分析和现有轧辊轧膜原理，轧膜变形不是单一的增加密实度的沿轧件断面厚度方向压下量，最小阻力定律决定了轧膜变形还存在涂层物质平行滑移量。如图1所示，除断面厚度方向上变形分布外，图1中箭号所示，表面层还存在平行滑移量。平行滑移量的大小，取决咬入角α，轧辊直径越大，咬入角α越大，平行滑移量就越小。咬入角度α是轧件被咬入轧辊时，以上轧辊D1与下轧辊D2的中心线为垂线，轧件和轧辊最先接触点和轧辊中心的连线与两轧辊中心连线所构成的角度。平行滑移量首先发生在表面层，平行滑移量直接影响断面厚度方向上变形分布的压下量，平行滑移量越大，断面厚度方向变形分布的压下量越小，压密实效果越差。由于锂离子电池涂层极片两面涂层颗粒与集流体是胶体粘合结构，涂层颗粒与集流体粘合优劣，会影响锂离子电池的电子导电内阻特性。随着平行滑移表面层深度增加，必将造成锂离子电池极片两面涂层颗粒与集流体的胶体粘合结构发生机械性剥离，最终导致涂层与集流体的导电失效，造成锂离子电池局部发热引发安全问题。

现有锂离子电池极片轧膜机为了更大的咬入角α以减少平行滑移量，轧辊直径的选择越来越大，大多数锂离子电池极片轧膜机产品采用直径800毫米直径轧辊，驱动电机达到了45KW,造成能耗成本高。

发明内容

本发明的目的是克服现有锂离子电池极片轧膜机的轧膜过程需要经过咬入—拽拖—轧压轧钢原理的三个阶段的缺点，提出一种改进轧膜机理的锂离子电池极片超声轧膜机。

现有技术的三阶段轧膜方式，轧压过程中表面层、中心层、集流体与涂层两相界面层不均匀变形，引起平行滑移，造成锂离子电池极片两面涂层颗粒与集流体之间的相对位移。这种位移效应导致胶体粘合与集流体结构发生机械性移位剥离，本发明锂离子电池极片超声波轧膜机可以克服现有轧钢原理轧膜机需要经过咬入—拽拖—轧压三个阶段的轧压方式，改善了现有轧钢原理轧膜机轧模造成表面层、中心层、集流体与涂层两相界面层都存在不均匀变形的问题，尤其是克服了“咬入”阶段引起的平行滑移。

本发明锂离子电池极片超声波轧膜机的工作原理和工作过程是，气缸的压力通过轧膜压头轧压锂离子电池涂层极片。轧压的同时，由于超声波的纵波压缩和横波的导流相互作用，使涂层极片中的颗粒仅限以断面厚度方向的下压量压缩，使极片涂层达到均匀的压密实度。气缸的推力使超声波换能器、变幅器、轧膜压头下行，当锂离子电池极片处于轧膜压头与砧座之间的轧压工位时，气缸推力使轧膜压头压紧锂离子电池极片，压力作用于涂层极片集流体的上下两面的锂离子电池活性物质涂层，使得涂层受到压力与超声波的合力轧压增加密实度。

本发明锂离子电池极片超声波轧膜机的技术方案如下。