锂电池制造工艺及装备 课件 第5-1 前段制造设备

5-1电池前段制造设备锂电制造工艺及装备锂电制造工艺及装备工程师定义合浆机涂布机辊压机与分切机电池故事123451.工程师的定义一、分析能力：要具有对所从事工作(设计、生产、服务)的结构、流程、功能、材料等方面进行分析的能力。二、实践能力：由于技术的复杂性，许多问题来不及形成理论或者本来就没有现成的理论加以指导，只能凭经验来判断，善于从实践中总结事物的规律性。三、观察能力：具有敏锐的观察力，即发现问题的能力。善于发现人们习以为常的事物中的缺陷、不足、不便，从而加以改善。四、创造能力：要在实践中发现、发明、创造，能够用跨学科知识和所掌握的理论综合分析。解决前人没有解决的工程问题。五、学习能力：很好的掌握所从事工作需要的基础知识，专业基础扎实。善于向实践学习，善于向书本学习，善于吸收新知识。锂电制造工艺及装备工程师定义合浆机涂布机辊压机与分切机电池故事123452合浆机将正负极粉体材料添加溶剂后搅拌均匀制备成电池浆料2.1合浆机基本原理2.2合浆机基本结构框架结构公转桨及驱动系统自转桨及驱动系统密封机构浆料容器釜真空系统电气控制系统温控系统升降系统照明及检测系统2.4合浆机系统通过多级传输给涂布机提供合格的浆料锂电制造工艺及装备工程师定义合浆机涂布机辊压机与分切机电池故事12345涂布机原理与作用3.0将合浆机制备好的浆料均匀的涂布在铜箔和铝箔表面3.0涂布机原理与作用涂布设备主要由收放卷单元、张力控制系统、纠偏系统、供料单元、涂布机头、烘箱和回收系统6个部分组成。各功能区相辅相成、统一运作把制成的浆料均匀地涂敷在金属箔材的表面，烘干，分别制成正负极极片。极片状态如下图所示集流体涂布处理工艺

利用功能涂层对锂离子电池集流体进行表面处理是一项突破性的锂离子电池技术创新，涂碳铝箔/铜箔是将纳米导电碳/石墨颗粒与粘接剂按照一定比例分散好，均匀、细腻地涂覆在铜箔/铝箔上，它能够提供极佳的静态导电性能，收集活性物质的微电流，从而可以大幅度降低正/负极材料与集流体之间的接触电阻，并能够提高两者之间的附着能力，可以减少粘接极的使用量，进而电池的整体性能产生显著的提升。3.0集流体的功能涂层3.1锂电池几种常用涂布方式1、转移涂布机-目前实验室为主；2、刮刀涂布-早期中试产线3、凹版涂布机-隔膜和铜铝箔表面图层，薄涂为主；4、挤压涂布机-大规模生产用涂布设备分类---转移式涂布涂辊转动带动浆料，通过逗号刮刀间隙来调节浆料转移量，并利用背辊和涂辊的转动将浆料转移到基材上，结构如右图所示。辊涂转移涂布包含两个基本过程：涂布辊转动带动浆料通过计量辊间隙，形成一定厚度的浆料层；一定厚度的浆料层通过方向相对的涂辊与背辊转动转移浆料到箔材上形成涂层。转移涂布结构简单便于操作，但精度差。3.1箔基材经过涂布辊并直接与浆料料槽接触，过量的浆料涂在箔基材上，在基材通过涂辊与刮刀之间时，刮刀与基材之间的间隙决定了涂层厚度，同时将多余的浆料刮掉回流，并由此在基材表面形成一层均匀的涂层。涂布设备分类---刮刀涂布3.1

在凹版涂布中，刻在圆辊上的小坑存留这从液源得到的液体，辅助刮刀将辊上多余的液体刮除。然后压入小坑的流体转移到片幅（在直接凹版）或橡胶传递辊上（平凹版）。液体遮盖的范围取决于压入坑的液体数量。坑的形状和流体转移到片幅的数量。在片幅上的流体反映出凹辊上的图形。涂布设备分类—凹版涂布3.1挤压涂布机—大规模

挤压涂布所涉及的是从涂布头内部扁平通道端部流出涂层的涂布，条缝通道非常靠近片幅，流体从狭缝排除形成涂珠，再由片幅带走，常常在涂珠下施加负压以使涂珠稳定，因此涂层厚度可以很好地控制。目前在锂电行业涂布过程中，由于涂层较厚，涂布速度较慢，目前尚未超100m/min，所以未采用负压装置。

3.1挤压涂布机

挤压涂布采用螺杆泵供料，其特点是供料稳定，耐磨损，输出压力比较大。螺杆泵结构示意图如下。螺杆泵采用的是伺服电机。过滤器采用的是PP材质深层过滤器。挤压涂布头分为上下两部分，下刀模有凹槽。挤压涂布使用特殊高强度钢材制作，要求具有将强的抗形变能力。挤压涂布烘箱前段采用的是主动过辊，中间后部分采用的悬浮烘箱，其特点是膜片不予上下风嘴接触，依靠上下吹风的压力差悬浮。3.11.3涂布机简图涂布机烘区涂布机排废气管3.23.3涂布机基本结构放卷机构涂布机构供料机构烘箱系统出料结构收卷机构控制系统张力系统纠偏系统其他测量系统：测厚系统和CCD溶剂回收系统3.4涂布机的案例介绍边缘涂层、双腔涂布、正反面同时涂布、3.4涂布机的案例介绍自动收卷涂布工序要点3.5锂电制造工艺及装备工程师定义合浆机涂布机辊压机与分切机电池故事12345辊压基础原理及作用比能量、比功率：极片滚压直接影响了极片活性物质的压实密度，直接影响电池比能量。能量密度、功率密度：同样是极片活性物质的压实密度直接影响了电池的能量密度和功率密度。循环寿命：极片滚压直接影响了活性物质在电池集流体上的附着力。进而影响着电池的循环寿命。内阻：极片上活性物质的压实密度和脱落程度极大地影响着电池的欧姆内阻和电化学内阻。安全：极片上活性物质的压实密度均匀性，电池极片滚压造成的表面粗糙度等都会直接影响电池负极析锂、正极析铜、尖角放电。4.0手动螺旋加压式极片轧机气液增压泵加压式极片轧机液压伺服加压式极片轧机辊压机的分类4.1手动螺旋加压式极片轧机采用斜块式辊缝调节装置机械调整压辊间隙，使极片受压成型，增加极片密度，主要用于轧制单片的电池极片，辊压示意如图所示。这种设备主要应用于实验室，通过设定辊缝值使轧辊在极片上加载压力，没有额外的加压装置。因此，一般实际压力比较小，辊压极片压实密度受到限制，而且一般最大辊缝受机械装置限制，存在一个最大值，一般不能辊压太厚的极片。4.1气液增压泵加压式极片轧机

气液增压泵加压方式电池极片轧机采用楔铁和丝杠离线调节辊缝，不能对轧辊间隙和轧制力进行实时在线调节，成本比较低，能够轧制对称涂布的电池极片。

轧机的辊缝由可变厚度的中间斜楔调整，调隙原理：在轧辊两端的轴承座之间各有两块斜面相贴的调隙斜铁。通常固定其中一块较薄的称为静斜铁，移动另一块较厚的称为动斜铁，当两块斜铁在斜面方向上有相对位移时，组合出不同的厚度，进而有了不同辊缝。4.1液压伺服加压式极片轧机

AGC（AutomaticGaugeControl）轧机是一种具有在线自动厚度调节技术的极片轧机，目前最先进的是全液压压下调节装置。液压伺服控制加压式极片轧机不再使用楔铁调节辊缝值，液压缸压力能够完全作用在电池极片上，为了能够实时控制作用在电池极片上压力和液压缸活塞位置，加压系统采用阀控缸的液压伺服控制系统。

这种方式结构简单，灵敏度高，能够满足很严格的厚度精度要求，可实现恒压力、恒间隙轧制。4.1辊压机主要结构机架挤压辊可调式喂料装置传动系统和扭力支撑液压系统润滑系统检测系统电气控制系统冷却系统4.2极片分条机将辊压好的正负极片按照工艺需要分切成需要的规格4.3锂电制造工艺及装备工程师定义合浆机涂布机辊压机与分切机电池故事---三位锂电之父12345三位锂电之父5.0我们今天能用着刷着智能手机、听着真无线耳机、吃着电动车送来的外卖宅家度日，还得感谢2019年三位诺贝尔化学奖得主——迈克尔·斯坦利·惠廷汉姆（MichaelStanleyWhittingham）、约翰·班尼斯特·古迪纳夫（JohnBannisterGoodenough）、吉野彰（AkiraYoshino）1、工作电压高2、体积小重量低3、无记忆效应4、自放电少5、能量密度高6、循环寿命较长。约翰·班尼斯特·古迪纳夫JohnBannisterGoodenough5.1今年98岁高龄的“足够好先生”——约翰·班尼斯特·古迪纳夫（JohnBannisterGoodenough），其实从54岁才开始研发电池。古迪纳夫博士是锂电池领域最大的功臣，三大锂电池正极材料（钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂）都是他带领的团队找出来的，其中钴酸锂诞生在1980年，使用石墨为阳极并解决了“锂枝晶”现象。30岁才刚刚摸着科研领域的大门，入了行。二战结束后，足够好先生觉得自己的人生又要重新开始了。于是他去报考了芝加哥大学物理系。入学时朋友对他说：“你去了能干什么，人家比你早十几二十年就在做研究了”，足够好先生坚信自己可以，最终在30岁取得了芝加哥大学物理学博士学位。

54岁才开始锂电池的研究；54岁的约翰到英国牛津大学任教。在这里工作十年。57岁时他研究出了钴酸锂，解决了早期锂电池的爆炸问题，使锂电池的扩大运用成为了可能。

64岁不肯退休开始新的挑战；他得知牛津大学的教授会在65岁被强制退休，为了不退休，他在64岁时跑路，去到得克萨斯州继续研究。

75岁又一次为全人类做了贡献；他提出碳酸铁锂材料，这种材料比之前的更便宜，也完全无毒。而这项研究成为了电动汽车时代的重要基础。

90岁再次挑战：90岁高龄的足够好先生又开始研究固态电池。当人们质疑他的身体时，他说：“我只有90岁，有的是时间。”

97岁成为最高龄的诺贝尔奖获得者。迈克尔·斯坦利·惠廷汉姆MichaelStanleyWhittingham5.21941年出生于英国诺丁汉，英国化学家，锂离子电池发明者，纽约州立大学旗下宾汉顿大学材料研究所和材料科学与工程项目研究所主管。奠定了“锂离子电池”的基础迈克尔·斯坦利·惠廷汉姆（MichaelStanleyWhittingham）从第一次石油危机（20世纪70年代）开始投入电池科技研发，他指明了“锂嵌入”技术路线，提升了充放电反应的可逆性，提升了安全性，是给我们带来宅家福利的“锂电之父”。惠廷汉姆加入埃克森美孚研究小组，开始研究钽二硫化物。他们发现，通过在二硫化钽片之间嵌入不同的原子或分子，它们可以改变超导转变温度。惠廷汉姆与锂电的缘分要从20世纪70年代的石油危机说起。接连石油短缺，对包括美国在内的发达国家造成严重影响。当时的舆论流行着一种论调：一旦石油用光了，人类该怎么办？吉野彰（AkiraYoshino）5.3吉野彰（AkiraYoshino）也是神人一位，吉野教授在1983年开发出锂离子电池原型，最终确立了现代锂离子电池基本框架的。这位日本老头子喜欢去风俗店，在二十多年前就跟妈妈桑夸下海口说他会拿到诺贝尔奖的。都说“男人的嘴，骗鬼的人”，然而他真的拿到了诺奖……1991年，吉野彰与古迪纳夫合作发明的锂离子电池被索尼公司推向市场，标志着锂离子电池的大规模使用。两人也因此结下了深厚友谊。此后，吉野彰每年都会去美国拜访古迪纳夫。回顾历史，吉野彰说：“电池技术是复杂又困难的学科交叉领域，它的发展需要多方面的专家。在我看来，锂离子电池是集体智慧的成果。”吉野决定将碳材料用于负极，在旭化成公司内部也刚好有不错的材料。由此，锂电池的原型正式确立，吉野彰在1985年取得了有关专利。锂电池制造基础方法确立

---从本源出发，回归基础材料制造极片制造芯包制造电芯制造电池制造nm尺度μm尺度mm尺度M级尺度晶胞晶粒颗粒孔隙结构尺度尺度精度