電池極片的軋制是軋輥與電池極片之間產(chǎn)生摩擦力，把電池極片拉進(jìn)旋轉(zhuǎn)的軋輥之間，電池極片受壓變形的過程。電池極片的軋制不同于鋼塊的軋制，軋鋼是板材沿縱向延伸和橫向?qū)捳沟倪^程，其密度在軋制過程中不發(fā)生變化，而電池極片的軋制是正負(fù)極片上電池材料壓實(shí)的過程，其目的在于增加正極或負(fù)極材料的壓實(shí)密度，合適的壓實(shí)密度可增大電池的放電容量、減小內(nèi)阻、減小極化損失、延長(zhǎng)電池的循環(huán)壽命、提高鋰離子電池的利用率。

電池極片軋制設(shè)備是從軋鋼機(jī)械演變過來的，一般由機(jī)架部分、傳動(dòng)部分及電控部分組成。輥壓設(shè)備需要具備的基本功能有：

根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)與輥壓模式，本文介紹三種常用的鋰離子電池極片輥壓機(jī)及其工藝特點(diǎn)：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)。

1、手動(dòng)螺旋加壓式極片軋機(jī)

這種設(shè)備由減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)高硬度壓輥旋轉(zhuǎn)，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1所示。這種設(shè)備主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室，通過設(shè)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(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。

圖1 手動(dòng)螺旋加壓調(diào)輥縫示意圖

2、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)在線調(diào)節(jié)，成本比較低，能夠軋制對(duì)稱涂布的電池極片，如圖2。

圖2 極片軋機(jī)實(shí)物照

這種軋機(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為靜斜鐵，移動(dòng)另一塊較厚的稱為動(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。如圖3所示。一般使用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)斜鐵滑塊運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，把步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為軋輥之間距離的調(diào)整，其結(jié)構(gòu)圖見圖4。在用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)斜鐵移動(dòng)時(shí)，為了能更直觀看到的輥縫，所以調(diào)整斜鐵到軋輥兩端縫隙剛好為零，把斜鐵的這個(gè)位置稱為原點(diǎn)，并安裝一個(gè)限位開關(guān)稱為原點(diǎn)開關(guān)。

圖3 斜楔調(diào)隙示意圖

圖4 縫隙部分步進(jìn)電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)

圖5  斜楔式電池極片軋機(jī)示意圖

圖5是斜楔式電池極片軋機(jī)受力示意圖，液壓缸壓力F作用在軋輥兩側(cè)的軸承座上，極片軋制時(shí)，液壓缸壓力F分解為作用在楔鐵上的力和作用在極片上的有效軋制力。軋制基本過程為：設(shè)電池極片進(jìn)入軋機(jī)前，軋機(jī)加壓液壓缸的壓力為零時(shí)，預(yù)調(diào)節(jié)輥縫值S0。利用氣液增壓泵加壓后，軋輥軸承座以及楔鐵將會(huì)被壓縮，兩軸承座中心距離將會(huì)縮短，由于軋輥不會(huì)接觸，所有的壓力將會(huì)作用在楔鐵上，設(shè)縮短的距離為x0，液壓缸預(yù)緊力為F，則：

式中，K1是楔鐵的剛度。當(dāng)電池極片有漿料的部分進(jìn)入軋機(jī)時(shí)，電池極片厚度增加，將會(huì)有軋制力作用在電池極片上，軋輥和軋輥軸承座將會(huì)產(chǎn)生彈性變形，楔鐵所受的力減小。作用在楔鐵上的作用力F1為：

式中，x作用在電池極片上的有效軋制力P為：

式中，h為輥壓后極片厚度，S0為液壓缸的壓力為零時(shí)預(yù)調(diào)節(jié)輥縫值，x為兩軋輥軸承座中心距離的減小量，K2為上下輥系的串聯(lián)剛度，如圖5所示，上下輥系的剛度分別為K21 和K22，有：

作用在楔鐵上的力F1與有效軋制力P的和等于液壓缸的壓力F，即：

聯(lián)合這幾式，則有：

由此式可知液壓缸壓力F、預(yù)調(diào)節(jié)輥縫S0、來料厚度H等對(duì)極片有效軋制力P和輥壓厚度h的影響。將上下輥系的彈性變形曲線A、電池極片的塑性變形曲線B 和軸承座與楔鐵彈性變形曲線C 畫在同一圖中，如圖6所示，O點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的橫縱坐標(biāo)就分別是有效軋制力和極片軋出厚度。

圖6 帶楔鐵的彈塑性曲線疊加的有效軋制力-輥壓厚度圖

工藝參數(shù)調(diào)節(jié)要點(diǎn)

鋰離子電池極片的壓實(shí)過程也遵循粉末冶金領(lǐng)域的指數(shù)公式，這揭示了涂層密度或孔隙率與壓實(shí)載荷之間的關(guān)系。極片被壓實(shí)，在線載荷qL = FN / WC作用下（FN作用在極片上軋制力，WC極片涂層軋制寬度），涂層密度由初始值ρc,0變?yōu)?/span>ρc，有：

其中，ρcρc,max和γc為常數(shù)，某一種極片可以通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到。

但是，在帶楔鐵的軋機(jī)中，設(shè)定的液壓缸壓力F并不是完全作用在極片上，而是分解為作用在楔鐵上的力和作用在極片上的有效軋制力兩部分。而且分量隨著輥壓參數(shù)設(shè)定不同而不一樣。

（1）液壓缸壓力F保持不變時(shí)，輥縫調(diào)定不同的值，如果預(yù)輥縫S0比較小時(shí)，軸承座與楔鐵脫開，壓力全部作用在極片上，預(yù)輥縫由小增加直至某臨界值之前，輥壓厚度都不會(huì)變化，但這種情況不是很穩(wěn)定。超過臨界值，預(yù)輥縫S0繼續(xù)增加，作用在極片上的有效軋制力不斷減小，極片厚度增加。

（2）預(yù)調(diào)定輥縫S0比較合適且不變時(shí)，如果液壓缸的壓力F調(diào)定值小于某一個(gè)值，在軋輥輥壓極片時(shí)，軸承座就會(huì)與楔鐵脫開，壓力全部作用在極片上，隨著油缸壓力增加，作用在極片上的有效軋制力也增加，輥壓厚度減小。但液壓缸壓力大于此值后，油缸壓力繼續(xù)增大，增大的壓力基本消耗在楔鐵上了，有效軋制力增加不明顯。

（3）輥縫和液壓缸壓力設(shè)定不變，軋制不同厚度的電池極片。來料厚度變小時(shí)，輥壓厚度也隨之減小，但是損耗在楔鐵上的壓力增大，而有效軋制力減小，，涂層壓實(shí)密度不會(huì)保持恒定。

（4）目前，氣液增壓泵加壓式極片軋機(jī)的實(shí)際使用過程中，沒有一個(gè)統(tǒng)一的調(diào)節(jié)輥縫與液壓缸壓力的方法。調(diào)定一個(gè)比較小的輥縫，液壓缸液壓小一些；或者調(diào)定一個(gè)較大的輥縫，液壓缸壓力增大些，都能軋出同樣厚度的電池極片。為了使液壓缸的壓力得到有效的利用，減少壓力增加導(dǎo)致的系統(tǒng)能量損失，應(yīng)該使消耗在楔鐵上的壓力盡量減小，但是為了有一定的富裕度，可以使得油缸壓力略大于所需軋制力，可以根據(jù)下式算出所需要的預(yù)輥縫：

3、液壓伺服加壓式極片軋機(jī)

AGC（AutomaticGauge Control）軋機(jī)是一種具有在線自動(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，能夠滿足很嚴(yán)格的厚度精度要求，可實(shí)現(xiàn)恒壓力、恒間隙軋制。傳遞的力和功率大的液壓伺服控制系統(tǒng)的引入使得極片軋機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)壓力和輥縫的在線實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，軋制單雙層交替涂布的極片時(shí)，單層部分也能得到比較好的軋制效果，使得軋制極片的質(zhì)量大大提高。軋制過程中有桿腔通過減壓閥、溢流閥和蓄能器的組合保持一個(gè)恒定壓力。上下軸承座之間有四個(gè)柱塞缸，通過減壓閥和溢流閥的組合保持恒壓以平衡上輥系的重量。

機(jī)座的剛度采用軋輥壓靠法測(cè)定，確定過程具體如下：兩軋輥之間沒有電池極片、軋輥空轉(zhuǎn)的情況下，上軋輥慢慢壓下，使上下軋輥直接接觸壓靠。軋輥接觸壓靠后，控制液壓伺服缸，使上軋輥繼續(xù)下降，使軋機(jī)工作機(jī)座產(chǎn)生彈性變形。然后控制上軋輥慢慢上升，兩軋輥慢慢分開，測(cè)量軋制力和液壓缸體與活塞相對(duì)位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系。缸體與活塞相對(duì)位置的變化反應(yīng)的就是工作機(jī)座的彈性變形。

圖7  液壓伺服加壓式電池極片軋機(jī)示意圖

液壓伺服系統(tǒng)加壓式電池極片軋機(jī)加壓機(jī)構(gòu)示意圖如圖7，液壓壓力全部作用在極片上，有效軋制力P為：

其中，K為整個(gè)機(jī)架的剛度，h為輥壓厚度，S0為預(yù)調(diào)節(jié)輥縫。

液壓伺服加壓式極片軋機(jī)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，具備恒壓力、恒輥縫兩種軋制模式。

恒輥縫軋制

圖8  恒輥縫(100μm)軋制實(shí)驗(yàn)曲線

如圖8所示，當(dāng)軋輥從電池極片有漿料部分輥壓到無漿料的過程中，因?yàn)殡姵貥O片的突然變薄，上軋輥會(huì)突然下降然后快速恢復(fù)的原位置，軋機(jī)機(jī)座的彈性變形減小，軋制力也相應(yīng)減小。當(dāng)軋輥從電池極片的基帶部分輥壓到有漿料部分的過程中，上軋輥會(huì)突然上升然后下壓到要求的位置，軋機(jī)機(jī)座的彈性變形增大，軋制力也相應(yīng)增大。但總體來看，位移波動(dòng)不是很大。

目前甚至出現(xiàn)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)位置控制環(huán)（APC）是的核心控制環(huán)節(jié)，其輸出為軋輥的實(shí)際位置或稱實(shí)際輥縫，即現(xiàn)恒輥縫軋制。外環(huán)為極片厚度控制環(huán)，實(shí)時(shí)在線檢測(cè)極片厚度，厚度反饋信號(hào)用來修正位置環(huán)的輥縫設(shè)定值，通過液壓伺服控制，使軋輥快速動(dòng)作，以達(dá)到迅速消除厚差的目的。

恒壓力軋制

圖9  恒軋制力（單側(cè)400KN）軋制實(shí)驗(yàn)曲線

如圖9所示，當(dāng)軋輥從電池極片有漿料部分輥壓到無漿料部分的過程中，因?yàn)殡姵貥O片的突然變薄，軋制力會(huì)有一個(gè)減小的波動(dòng)，再快速恢復(fù)到設(shè)定值，上軋輥也相應(yīng)下降。當(dāng)軋輥從電池極片的基帶部分輥壓到有漿料部分的過程中，軋制力會(huì)有個(gè)增大的波動(dòng)，再快速恢復(fù)到設(shè)定值，上軋輥也相應(yīng)上升。但總體來看，壓力波動(dòng)不是很大。

由于軋機(jī)兩側(cè)機(jī)械結(jié)構(gòu)制造裝配的不完全對(duì)稱、傳動(dòng)側(cè)與傳動(dòng)軸相連、電池極片在輥系間的位置也不能保證在中間，位置的變化有一定差別。由于電池極片負(fù)載的特殊性，如何克服在過極片間隙時(shí)，減小壓力的波動(dòng)等問題還有待進(jìn)一步解決。

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