鋰電池制造工藝及裝備 課件 第5-1 前段制造設(shè)備

5-1電池前段制造設(shè)備鋰電制造工藝及裝備鋰電制造工藝及裝備工程師定義合漿機(jī)涂布機(jī)輥壓機(jī)與分切機(jī)電池故事123451.工程師的定義一、分析能力：要具有對(duì)所從事工作(設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、服務(wù))的結(jié)構(gòu)、流程、功能、材料等方面進(jìn)行分析的能力。二、實(shí)踐能力：由于技術(shù)的復(fù)雜性，許多問(wèn)題來(lái)不及形成理論或者本來(lái)就沒(méi)有現(xiàn)成的理論加以指導(dǎo)，只能憑經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷，善于從實(shí)踐中總結(jié)事物的規(guī)律性。三、觀察能力：具有敏銳的觀察力，即發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的能力。善于發(fā)現(xiàn)人們習(xí)以為常的事物中的缺陷、不足、不便，從而加以改善。四、創(chuàng)造能力：要在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)、發(fā)明、創(chuàng)造，能夠用跨學(xué)科知識(shí)和所掌握的理論綜合分析。解決前人沒(méi)有解決的工程問(wèn)題。五、學(xué)習(xí)能力：很好的掌握所從事工作需要的基礎(chǔ)知識(shí)，專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)扎實(shí)。善于向?qū)嵺`學(xué)習(xí)，善于向書(shū)本學(xué)習(xí)，善于吸收新知識(shí)。鋰電制造工藝及裝備工程師定義合漿機(jī)涂布機(jī)輥壓機(jī)與分切機(jī)電池故事123452合漿機(jī)將正負(fù)極粉體材料添加溶劑后攪拌均勻制備成電池漿料2.1合漿機(jī)基本原理2.2合漿機(jī)基本結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)公轉(zhuǎn)槳及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)自轉(zhuǎn)槳及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)密封機(jī)構(gòu)漿料容器釜真空系統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)溫控系統(tǒng)升降系統(tǒng)照明及檢測(cè)系統(tǒng)2.4合漿機(jī)系統(tǒng)通過(guò)多級(jí)傳輸給涂布機(jī)提供合格的漿料鋰電制造工藝及裝備工程師定義合漿機(jī)涂布機(jī)輥壓機(jī)與分切機(jī)電池故事12345涂布機(jī)原理與作用3.0將合漿機(jī)制備好的漿料均勻的涂布在銅箔和鋁箔表面3.0涂布機(jī)原理與作用涂布設(shè)備主要由收放卷單元、張力控制系統(tǒng)、糾偏系統(tǒng)、供料單元、涂布機(jī)頭、烘箱和回收系統(tǒng)6個(gè)部分組成。各功能區(qū)相輔相成、統(tǒng)一運(yùn)作把制成的漿料均勻地涂敷在金屬箔材的表面，烘干，分別制成正負(fù)極極片。極片狀態(tài)如下圖所示集流體涂布處理工藝

利用功能涂層對(duì)鋰離子電池集流體進(jìn)行表面處理是一項(xiàng)突破性的鋰離子電池技術(shù)創(chuàng)新，涂碳鋁箔/銅箔是將納米導(dǎo)電碳/石墨顆粒與粘接劑按照一定比例分散好，均勻、細(xì)膩地涂覆在銅箔/鋁箔上，它能夠提供極佳的靜態(tài)導(dǎo)電性能，收集活性物質(zhì)的微電流，從而可以大幅度降低正/負(fù)極材料與集流體之間的接觸電阻，并能夠提高兩者之間的附著能力，可以減少粘接極的使用量，進(jìn)而電池的整體性能產(chǎn)生顯著的提升。3.0集流體的功能涂層3.1鋰電池幾種常用涂布方式1、轉(zhuǎn)移涂布機(jī)-目前實(shí)驗(yàn)室為主；2、刮刀涂布-早期中試產(chǎn)線(xiàn)3、凹版涂布機(jī)-隔膜和銅鋁箔表面圖層，薄涂為主；4、擠壓涂布機(jī)-大規(guī)模生產(chǎn)用涂布設(shè)備分類(lèi)---轉(zhuǎn)移式涂布涂輥轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)漿料，通過(guò)逗號(hào)刮刀間隙來(lái)調(diào)節(jié)漿料轉(zhuǎn)移量，并利用背輥和涂輥的轉(zhuǎn)動(dòng)將漿料轉(zhuǎn)移到基材上，結(jié)構(gòu)如右圖所示。輥涂轉(zhuǎn)移涂布包含兩個(gè)基本過(guò)程：涂布輥轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)漿料通過(guò)計(jì)量輥間隙，形成一定厚度的漿料層；一定厚度的漿料層通過(guò)方向相對(duì)的涂輥與背輥轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)移漿料到箔材上形成涂層。轉(zhuǎn)移涂布結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單便于操作，但精度差。3.1箔基材經(jīng)過(guò)涂布輥并直接與漿料料槽接觸，過(guò)量的漿料涂在箔基材上，在基材通過(guò)涂輥與刮刀之間時(shí)，刮刀與基材之間的間隙決定了涂層厚度，同時(shí)將多余的漿料刮掉回流，并由此在基材表面形成一層均勻的涂層。涂布設(shè)備分類(lèi)---刮刀涂布3.1

在凹版涂布中，刻在圓輥上的小坑存留這從液源得到的液體，輔助刮刀將輥上多余的液體刮除。然后壓入小坑的流體轉(zhuǎn)移到片幅（在直接凹版）或橡膠傳遞輥上（平凹版）。液體遮蓋的范圍取決于壓入坑的液體數(shù)量?？拥男螤詈土黧w轉(zhuǎn)移到片幅的數(shù)量。在片幅上的流體反映出凹輥上的圖形。涂布設(shè)備分類(lèi)—凹版涂布3.1擠壓涂布機(jī)—大規(guī)模

擠壓涂布所涉及的是從涂布頭內(nèi)部扁平通道端部流出涂層的涂布，條縫通道非常靠近片幅，流體從狹縫排除形成涂珠，再由片幅帶走，常常在涂珠下施加負(fù)壓以使涂珠穩(wěn)定，因此涂層厚度可以很好地控制。目前在鋰電行業(yè)涂布過(guò)程中，由于涂層較厚，涂布速度較慢，目前尚未超100m/min，所以未采用負(fù)壓裝置。

3.1擠壓涂布機(jī)

擠壓涂布采用螺桿泵供料，其特點(diǎn)是供料穩(wěn)定，耐磨損，輸出壓力比較大。螺桿泵結(jié)構(gòu)示意圖如下。螺桿泵采用的是伺服電機(jī)。過(guò)濾器采用的是PP材質(zhì)深層過(guò)濾器。擠壓涂布頭分為上下兩部分，下刀模有凹槽。擠壓涂布使用特殊高強(qiáng)度鋼材制作，要求具有將強(qiáng)的抗形變能力。擠壓涂布烘箱前段采用的是主動(dòng)過(guò)輥，中間后部分采用的懸浮烘箱，其特點(diǎn)是膜片不予上下風(fēng)嘴接觸，依靠上下吹風(fēng)的壓力差懸浮。3.11.3涂布機(jī)簡(jiǎn)圖涂布機(jī)烘區(qū)涂布機(jī)排廢氣管3.23.3涂布機(jī)基本結(jié)構(gòu)放卷機(jī)構(gòu)涂布機(jī)構(gòu)供料機(jī)構(gòu)烘箱系統(tǒng)出料結(jié)構(gòu)收卷機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)張力系統(tǒng)糾偏系統(tǒng)其他測(cè)量系統(tǒng)：測(cè)厚系統(tǒng)和CCD溶劑回收系統(tǒng)3.4涂布機(jī)的案例介紹邊緣涂層、雙腔涂布、正反面同時(shí)涂布、3.4涂布機(jī)的案例介紹自動(dòng)收卷涂布工序要點(diǎn)3.5鋰電制造工藝及裝備工程師定義合漿機(jī)涂布機(jī)輥壓機(jī)與分切機(jī)電池故事12345輥壓基礎(chǔ)原理及作用比能量、比功率：極片滾壓直接影響了極片活性物質(zhì)的壓實(shí)密度，直接影響電池比能量。能量密度、功率密度：同樣是極片活性物質(zhì)的壓實(shí)密度直接影響了電池的能量密度和功率密度。循環(huán)壽命：極片滾壓直接影響了活性物質(zhì)在電池集流體上的附著力。進(jìn)而影響著電池的循環(huán)壽命。內(nèi)阻：極片上活性物質(zhì)的壓實(shí)密度和脫落程度極大地影響著電池的歐姆內(nèi)阻和電化學(xué)內(nèi)阻。安全：極片上活性物質(zhì)的壓實(shí)密度均勻性，電池極片滾壓造成的表面粗糙度等都會(huì)直接影響電池負(fù)極析鋰、正極析銅、尖角放電。4.0手動(dòng)螺旋加壓式極片軋機(jī)氣液增壓泵加壓式極片軋機(jī)液壓伺服加壓式極片軋機(jī)輥壓機(jī)的分類(lèi)4.1手動(dòng)螺旋加壓式極片軋機(jī)采用斜塊式輥縫調(diào)節(jié)裝置機(jī)械調(diào)整壓輥間隙，使極片受壓成型，增加極片密度，主要用于軋制單片的電池極片，輥壓示意如圖所示。這種設(shè)備主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)設(shè)定輥縫值使軋輥在極片上加載壓力，沒(méi)有額外的加壓裝置。因此，一般實(shí)際壓力比較小，輥壓極片壓實(shí)密度受到限制，而且一般最大輥縫受機(jī)械裝置限制，存在一個(gè)最大值，一般不能輥壓太厚的極片。4.1氣液增壓泵加壓式極片軋機(jī)

氣液增壓泵加壓方式電池極片軋機(jī)采用楔鐵和絲杠離線(xiàn)調(diào)節(jié)輥縫，不能對(duì)軋輥間隙和軋制力進(jìn)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)調(diào)節(jié)，成本比較低，能夠軋制對(duì)稱(chēng)涂布的電池極片。

軋機(jī)的輥縫由可變厚度的中間斜楔調(diào)整，調(diào)隙原理：在軋輥兩端的軸承座之間各有兩塊斜面相貼的調(diào)隙斜鐵。通常固定其中一塊較薄的稱(chēng)為靜斜鐵，移動(dòng)另一塊較厚的稱(chēng)為動(dòng)斜鐵，當(dāng)兩塊斜鐵在斜面方向上有相對(duì)位移時(shí)，組合出不同的厚度，進(jìn)而有了不同輥縫。4.1液壓伺服加壓式極片軋機(jī)

AGC（AutomaticGaugeControl）軋機(jī)是一種具有在線(xiàn)自動(dòng)厚度調(diào)節(jié)技術(shù)的極片軋機(jī)，目前最先進(jìn)的是全液壓壓下調(diào)節(jié)裝置。液壓伺服控制加壓式極片軋機(jī)不再使用楔鐵調(diào)節(jié)輥縫值，液壓缸壓力能夠完全作用在電池極片上，為了能夠?qū)崟r(shí)控制作用在電池極片上壓力和液壓缸活塞位置，加壓系統(tǒng)采用閥控缸的液壓伺服控制系統(tǒng)。

這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，能夠滿(mǎn)足很?chē)?yán)格的厚度精度要求，可實(shí)現(xiàn)恒壓力、恒間隙軋制。4.1輥壓機(jī)主要結(jié)構(gòu)機(jī)架擠壓輥可調(diào)式喂料裝置傳動(dòng)系統(tǒng)和扭力支撐液壓系統(tǒng)潤(rùn)滑系統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)4.2極片分條機(jī)將輥壓好的正負(fù)極片按照工藝需要分切成需要的規(guī)格4.3鋰電制造工藝及裝備工程師定義合漿機(jī)涂布機(jī)輥壓機(jī)與分切機(jī)電池故事---三位鋰電之父12345三位鋰電之父5.0我們今天能用著刷著智能手機(jī)、聽(tīng)著真無(wú)線(xiàn)耳機(jī)、吃著電動(dòng)車(chē)送來(lái)的外賣(mài)宅家度日，還得感謝2019年三位諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主——邁克爾·斯坦利·惠廷漢姆（MichaelStanleyWhittingham）、約翰·班尼斯特·古迪納夫（JohnBannisterGoodenough）、吉野彰（AkiraYoshino）1、工作電壓高2、體積小重量低3、無(wú)記憶效應(yīng)4、自放電少5、能量密度高6、循環(huán)壽命較長(zhǎng)。約翰·班尼斯特·古迪納夫JohnBannisterGoodenough5.1今年98歲高齡的“足夠好先生”——約翰·班尼斯特·古迪納夫（JohnBannisterGoodenough），其實(shí)從54歲才開(kāi)始研發(fā)電池。古迪納夫博士是鋰電池領(lǐng)域最大的功臣，三大鋰電池正極材料（鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰）都是他帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)找出來(lái)的，其中鈷酸鋰誕生在1980年，使用石墨為陽(yáng)極并解決了“鋰枝晶”現(xiàn)象。30歲才剛剛摸著科研領(lǐng)域的大門(mén)，入了行。二戰(zhàn)結(jié)束后，足夠好先生覺(jué)得自己的人生又要重新開(kāi)始了。于是他去報(bào)考了芝加哥大學(xué)物理系。入學(xué)時(shí)朋友對(duì)他說(shuō)：“你去了能干什么，人家比你早十幾二十年就在做研究了”，足夠好先生堅(jiān)信自己可以，最終在30歲取得了芝加哥大學(xué)物理學(xué)博士學(xué)位。

54歲才開(kāi)始鋰電池的研究；54歲的約翰到英國(guó)牛津大學(xué)任教。在這里工作十年。57歲時(shí)他研究出了鈷酸鋰，解決了早期鋰電池的爆炸問(wèn)題，使鋰電池的擴(kuò)大運(yùn)用成為了可能。

64歲不肯退休開(kāi)始新的挑戰(zhàn)；他得知牛津大學(xué)的教授會(huì)在65歲被強(qiáng)制退休，為了不退休，他在64歲時(shí)跑路，去到得克薩斯州繼續(xù)研究。

75歲又一次為全人類(lèi)做了貢獻(xiàn)；他提出碳酸鐵鋰材料，這種材料比之前的更便宜，也完全無(wú)毒。而這項(xiàng)研究成為了電動(dòng)汽車(chē)時(shí)代的重要基礎(chǔ)。

90歲再次挑戰(zhàn)：90歲高齡的足夠好先生又開(kāi)始研究固態(tài)電池。當(dāng)人們質(zhì)疑他的身體時(shí)，他說(shuō)：“我只有90歲，有的是時(shí)間。”

97歲成為最高齡的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者。邁克爾·斯坦利·惠廷漢姆MichaelStanleyWhittingham5.21941年出生于英國(guó)諾丁漢，英國(guó)化學(xué)家，鋰離子電池發(fā)明者，紐約州立大學(xué)旗下賓漢頓大學(xué)材料研究所和材料科學(xué)與工程項(xiàng)目研究所主管。奠定了“鋰離子電池”的基礎(chǔ)邁克爾·斯坦利·惠廷漢姆（MichaelStanleyWhittingham）從第一次石油危機(jī)（20世紀(jì)70年代）開(kāi)始投入電池科技研發(fā)，他指明了“鋰嵌入”技術(shù)路線(xiàn)，提升了充放電反應(yīng)的可逆性，提升了安全性，是給我們帶來(lái)宅家福利的“鋰電之父”?；萃h姆加入?？松梨谘芯啃〗M，開(kāi)始研究鉭二硫化物。他們發(fā)現(xiàn)，通過(guò)在二硫化鉭片之間嵌入不同的原子或分子，它們可以改變超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度?；萃h姆與鋰電的緣分要從20世紀(jì)70年代的石油危機(jī)說(shuō)起。接連石油短缺，對(duì)包括美國(guó)在內(nèi)的發(fā)達(dá)國(guó)家造成嚴(yán)重影響。當(dāng)時(shí)的輿論流行著一種論調(diào)：一旦石油用光了，人類(lèi)該怎么辦？吉野彰（AkiraYoshino）5.3吉野彰（AkiraYoshino）也是神人一位，吉野教授在1983年開(kāi)發(fā)出鋰離子電池原型，最終確立了現(xiàn)代鋰離子電池基本框架的。這位日本老頭子喜歡去風(fēng)俗店，在二十多年前就跟媽媽桑夸下?？谡f(shuō)他會(huì)拿到諾貝爾獎(jiǎng)的。都說(shuō)“男人的嘴，騙鬼的人”，然而他真的拿到了諾獎(jiǎng)……1991年，吉野彰與古迪納夫合作發(fā)明的鋰離子電池被索尼公司推向市場(chǎng)，標(biāo)志著鋰離子電池的大規(guī)模使用。兩人也因此結(jié)下了深厚友誼。此后，吉野彰每年都會(huì)去美國(guó)拜訪古迪納夫。回顧歷史，吉野彰說(shuō)：“電池技術(shù)是復(fù)雜又困難的學(xué)科交叉領(lǐng)域，它的發(fā)展需要多方面的專(zhuān)家。在我看來(lái)，鋰離子電池是集體智慧的成果?！奔皼Q定將碳材料用于負(fù)極，在旭化成公司內(nèi)部也剛好有不錯(cuò)的材料。由此，鋰電池的原型正式確立，吉野彰在1985年取得了有關(guān)專(zhuān)利。鋰電池制造基礎(chǔ)方法確立

---從本源出發(fā)，回歸基礎(chǔ)材料制造極片制造芯包制造電芯制造電池制造nm尺度μm尺度mm尺度M級(jí)尺度晶胞晶粒顆?？紫督Y(jié)構(gòu)尺度尺度精度