鋰電池制造工藝及裝備 課件 第5-1 前段制造設備

5-1電池前段制造設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涂布機輥壓機與分切機電池故事123451.工程師的定義一、分析能力：要具有對所從事工作(設計、生產(chǎn)、服務)的結構、流程、功能、材料等方面進行分析的能力。二、實踐能力：由于技術的復雜性，許多問題來不及形成理論或者本來就沒有現(xiàn)成的理論加以指導，只能憑經(jīng)驗來判斷，善于從實踐中總結事物的規(guī)律性。三、觀察能力：具有敏銳的觀察力，即發(fā)現(xiàn)問題的能力。善于發(fā)現(xiàn)人們習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：要在實踐中發(fā)現(xiàn)、發(fā)明、創(chuàng)造，能夠用跨學科知識和所掌握的理論綜合分析。解決前人沒有解決的工程問題。五、學習能力：很好的掌握所從事工作需要的基礎知識，專業(yè)基礎扎實。善于向實踐學習，善于向書本學習，善于吸收新知識。鋰電制造工藝及裝備工程師定義合漿機涂布機輥壓機與分切機電池故事123452合漿機將正負極粉體材料添加溶劑后攪拌均勻制備成電池漿料2.1合漿機基本原理2.2合漿機基本結構框架結構公轉槳及驅動系統(tǒng)自轉槳及驅動系統(tǒng)密封機構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)照明及檢測系統(tǒng)2.4合漿機系統(tǒng)通過多級傳輸給涂布機提供合格的漿料鋰電制造工藝及裝備工程師定義合漿機涂布機輥壓機與分切機電池故事12345涂布機原理與作用3.0將合漿機制備好的漿料均勻的涂布在銅箔和鋁箔表面3.0涂布機原理與作用涂布設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、涂布機頭、烘箱和回收系統(tǒng)6個部分組成。各功能區(qū)相輔相成、統(tǒng)一運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

利用功能涂層對鋰離子電池集流體進行表面處理是一項突破性的鋰離子電池技術創(chuàng)新，涂碳鋁箔/銅箔是將納米導電碳/石墨顆粒與粘接劑按照一定比例分散好，均勻、細膩地涂覆在銅箔/鋁箔上，它能夠提供極佳的靜態(tài)導電性能，收集活性物質的微電流，從而可以大幅度降低正/負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、轉移涂布機-目前實驗室為主；2、刮刀涂布-早期中試產(chǎn)線3、凹版涂布機-隔膜和銅鋁箔表面圖層，薄涂為主；4、擠壓涂布機-大規(guī)模生產(chǎn)用涂布設備分類---轉移式涂布涂輥轉動帶動漿料，通過逗號刮刀間隙來調節(jié)漿料轉移量，并利用背輥和涂輥的轉動將漿料轉移到基材上，結構如右圖所示。輥涂轉移涂布包含兩個基本過程：涂布輥轉動帶動漿料通過計量輥間隙，形成一定厚度的漿料層；一定厚度的漿料層通過方向相對的涂輥與背輥轉動轉移漿料到箔材上形成涂層。轉移涂布結構簡單便于操作，但精度差。3.1箔基材經(jīng)過涂布輥并直接與漿料料槽接觸，過量的漿料涂在箔基材上，在基材通過涂輥與刮刀之間時，刮刀與基材之間的間隙決定了涂層厚度，同時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。涂布設備分類---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。涂布設備分類—凹版涂布3.1擠壓涂布機—大規(guī)模

擠壓涂布所涉及的是從涂布頭內部扁平通道端部流出涂層的涂布，條縫通道非?？拷黧w從狹縫排除形成涂珠，再由片幅帶走，常常在涂珠下施加負壓以使涂珠穩(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，所以未采用負壓裝置。

3.1擠壓涂布機

擠壓涂布采用螺桿泵供料，其特點是供料穩(wěn)定，耐磨損，輸出壓力比較大。螺桿泵結構示意圖如下。螺桿泵采用的是伺服電機。過濾器采用的是PP材質深層過濾器。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度鋼材制作，要求具有將強的抗形變能力。擠壓涂布烘箱前段采用的是主動過輥，中間后部分采用的懸浮烘箱，其特點是膜片不予上下風嘴接觸，依靠上下吹風的壓力差懸浮。3.11.3涂布機簡圖涂布機烘區(qū)涂布機排廢氣管3.23.3涂布機基本結構放卷機構涂布機構供料機構烘箱系統(tǒng)出料結構收卷機構控制系統(tǒng)張力系統(tǒng)糾偏系統(tǒng)其他測量系統(tǒng)：測厚系統(tǒng)和CCD溶劑回收系統(tǒng)3.4涂布機的案例介紹邊緣涂層、雙腔涂布、正反面同時涂布、3.4涂布機的案例介紹自動收卷涂布工序要點3.5鋰電制造工藝及裝備工程師定義合漿機涂布機輥壓機與分切機電池故事12345輥壓基礎原理及作用比能量、比功率：極片滾壓直接影響了極片活性物質的壓實密度，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的壓實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在電池集流體上的附著力。進而影響著電池的循環(huán)壽命。內阻：極片上活性物質的壓實密度和脫落程度極大地影響著電池的歐姆內阻和電化學內阻。安全：極片上活性物質的壓實密度均勻性，電池極片滾壓造成的表面粗糙度等都會直接影響電池負極析鋰、正極析銅、尖角放電。4.0手動螺旋加壓式極片軋機氣液增壓泵加壓式極片軋機液壓伺服加壓式極片軋機輥壓機的分類4.1手動螺旋加壓式極片軋機采用斜塊式輥縫調節(jié)裝置機械調整壓輥間隙，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。這種設備主要應用于實驗室，通過設定輥縫值使軋輥在極片上加載壓力，沒有額外的加壓裝置。因此，一般實際壓力比較小，輥壓極片壓實密度受到限制，而且一般最大輥縫受機械裝置限制，存在一個最大值，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

氣液增壓泵加壓方式電池極片軋機采用楔鐵和絲杠離線調節(jié)輥縫，不能對軋輥間隙和軋制力進行實時在線調節(jié)，成本比較低，能夠軋制對稱涂布的電池極片。

軋機的輥縫由可變厚度的中間斜楔調整，調隙原理：在軋輥兩端的軸承座之間各有兩塊斜面相貼的調隙斜鐵。通常固定其中一塊較薄的稱為靜斜鐵，移動另一塊較厚的稱為動斜鐵，當兩塊斜鐵在斜面方向上有相對位移時，組合出不同的厚度，進而有了不同輥縫。4.1液壓伺服加壓式極片軋機

AGC（AutomaticGaugeControl）軋機是一種具有在線自動厚度調節(jié)技術的極片軋機，目前最先進的是全液壓壓下調節(jié)裝置。液壓伺服控制加壓式極片軋機不再使用楔鐵調節(jié)輥縫值，液壓缸壓力能夠完全作用在電池極片上，為了能夠實時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)。

這種方式結構簡單，靈敏度高，能夠滿足很嚴格的厚度精度要求，可實現(xiàn)恒壓力、恒間隙軋制。4.1輥壓機主要結構機架擠壓輥可調式喂料裝置傳動系統(tǒng)和扭力支撐液壓系統(tǒng)潤滑系統(tǒng)檢測系統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)4.2極片分條機將輥壓好的正負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涂布機輥壓機與分切機電池故事---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、聽著真無線耳機、吃著電動車送來的外賣宅家度日，還得感謝2019年三位諾貝爾化學獎得主——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、無記憶效應4、自放電少5、能量密度高6、循環(huán)壽命較長。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），其實從54歲才開始研發(fā)電池。古迪納夫博士是鋰電池領域最大的功臣，三大鋰電池正極材料（鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰）都是他帶領的團隊找出來的，其中鈷酸鋰誕生在1980年，使用石墨為陽極并解決了“鋰枝晶”現(xiàn)象。30歲才剛剛摸著科研領域的大門，入了行。二戰(zhàn)結束后，足夠好先生覺得自己的人生又要重新開始了。于是他去報考了芝加哥大學物理系。入學時朋友對他說：“你去了能干什么，人家比你早十幾二十年就在做研究了”，足夠好先生堅信自己可以，最終在30歲取得了芝加哥大學物理學博士學位。

54歲才開始鋰電池的研究；54歲的約翰到英國牛津大學任教。在這里工作十年。57歲時他研究出了鈷酸鋰，解決了早期鋰電池的爆炸問題，使鋰電池的擴大運用成為了可能。

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

75歲又一次為全人類做了貢獻；他提出碳酸鐵鋰材料，這種材料比之前的更便宜，也完全無毒。而這項研究成為了電動汽車時代的重要基礎。

90歲再次挑戰(zhàn)：90歲高齡的足夠好先生又開始研究固態(tài)電池。當人們質疑他的身體時，他說：“我只有90歲，有的是時間?！?/p>

97歲成為最高齡的諾貝爾獎獲得者。邁克爾·斯坦利·惠廷漢姆MichaelStanleyWhittingham5.21941年出生于英國諾丁漢，英國化學家，鋰離子電池發(fā)明者，紐約州立大學旗下賓漢頓大學材料研究所和材料科學與工程項目研究所主管。奠定了“鋰離子電池”的基礎邁克爾·斯坦利·惠廷漢姆（MichaelStanleyWhittingham）從第一次石油危機（20世紀70年代）開始投入電池科技研發(fā)，他指明了“鋰嵌入”技術路線，提升了充放電反應的可逆性，提升了安全性，是給我們帶來宅家福利的“鋰電之父”。惠廷漢姆加入埃克森美孚研究小組，開始研究鉭二硫化物。他們發(fā)現(xiàn)，通過在二硫化鉭片之間嵌入不同的原子或分子，它們可以改變超導轉變溫度?；萃h姆與鋰電的緣分要從20世紀70年代的石油危機說起。接連石油短缺，對包括美國在內的發(fā)達國家造成嚴重影響。當時的輿論流行著一種論調：一旦石油用光了，人類該怎么辦？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俗店，在二十多年前就跟媽媽桑夸下?？谡f他會拿到諾貝爾獎的。都說“男人的嘴，騙鬼的人”，然而他真的拿到了諾獎……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，標志著鋰離子電池的大規(guī)模使用。兩人也因此結下了深厚友誼。此后，吉野彰每年都會去美國拜訪古迪納夫。回顧歷史，吉野彰說：“電池技術是復雜又困難的學科交叉領域，它的發(fā)展需要多方面的專家。在我看來，鋰離子電池是集體智慧的成果。”吉野決定將碳材料用于負極，在旭化成公司內部也剛好有不錯的材料。由此，鋰電池的原型正式確立，吉野彰在1985年取得了有關專利。鋰電池制造基礎方法確立

---從本源出發(fā)，回歸基礎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級尺度晶胞晶粒顆?？紫督Y構尺度尺度精度