锂电设备——辊压设备基本结构及原理

图2 缝隙部分步进电机机械结构

目前，气液增压泵加压式极片轧机的实际使用过程中，没有一个统一的调节辊缝与液压缸压力的方法。调定一个比较小的辊缝，液压缸液压小一些；或者调定一个较大的辊缝，液压缸压力增大些，都能轧出同样厚度的电池极片。为了使液压缸的压力得到有效的利用，减少压力增加导致的系统能量损失，应该使消耗在楔铁上的压力尽量减小，但是为了有一定的富裕度，可以使得油缸压力略大于所需轧制力。

2.液压伺服加压式极片轧机

AGC（AutomaticGauge Control）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。传递的力和功率大的液压伺服控制系统的引入使得极片轧机能够实现压力和辊缝的在线实时调节，轧制单双层交替涂布的极片时，单层部分也能得到比较好的轧制效果，使得轧制极片的质量大大提高。轧制过程中有杆腔通过减压阀、溢流阀和蓄能器的组合保持一个恒定压力。上下轴承座之间有四个柱塞缸，通过减压阀和溢流阀的组合保持恒压以平衡上辊系的重量。

液压伺服系统加压式电池极片轧机加压机构示意图如图所示。液压压力全部作用在极片上，有效轧制力P为：

P=K（h-S0）

其中，K为整个机架的刚度，h为辊压厚度，S0为预调节辊缝。液压伺服加压式极片轧机能够实时控制作用在电池极片上压力和液压缸活塞位置。

三、设备原理、核心部件

1.拉伸除皱机构原理及铁氟龙粘贴

①目前已应用的有三种拉伸机构：

Pinch机构：Pinch结构主要是为了消除打皱而提出的一种工艺，通过差速拉伸，使得涂覆区和极耳区长度一致，消除打皱。在辊压的过程中，极耳区比较薄，双面涂布下是无法接触到轧辊，涂覆区受到辊的压力，两边张力不一致，一般来讲，辊径越小，极片延展越严重，褶皱越厉害。

电磁极耳加热+Pinch机构：通过在阴极冷压OUTPINCH处增加电磁加热设备对极耳区进行加热，实现加热拉伸，减少拉伸断带。加热温度可达50~300℃；感应线圈设计成平板式，边缘加热线圈加聚磁磁芯的宽度50mm（现场可根据被加热极片宽度调节加热宽度）；中间加热线圈加聚磁磁芯的宽度80mm（现场可根据被加热极片宽度调节加热宽度）。

极耳压延机构：在极片辊压前，使用小型钢制压辊对极片留白（极耳）处进行物理碾压，主要是以物理延展为主，碾压后使极耳处箔材出现拉伸现象（图2），极片在经过主压辊时极耳不再受纵向拉力拉伸，因极耳不受力，极耳处箔材有轻微的缺陷也不会造成断带。

②铁氟龙粘贴：

正极：

粘贴方式：正极优先选择阶梯式粘贴，第一层铁氟龙与涂覆区距离距离如上图所示。负极可选用平齐粘贴也可使用阶梯式粘贴，根据实际留白拉伸效果决定；

台阶距离：每层铁氟龙错层1.5~2mm；

铁氟龙厚度：单层铁氟龙厚度110μm~170μm，根据留白拉伸情况进行厚薄搭配；

负极：

铁氟龙总厚：根据除皱拉伸张力和留白拉伸效果决定，原则是留白相同的拉伸效果（弓形高）下增厚铁氟龙厚度降低拉伸张力；

铁氟龙选择：尽可能选择耐磨的铁氟龙，不易磨损沾染异物；

留白拉伸效果：弓形高0mm/m为最优，但为减小辊压断带频次弓形高≤1.5mm/m即可；

2.辊压机构

主机机构组成：牌坊、电机组、主辊机构、底座、导热油系统等组成。

3.主辊材质

负极：表面镀铬； 正极：喷涂WC；

提高表面硬度，降低轧辊磨损程度，提升使用寿命，比传统电镀铬寿命提升50%-100%。

4.热辊（正极）

热压有以下优点：

1）厚度的一致性更好，涂覆区更加致密；

2）利用较小的轧制力即可将极片的厚度压缩到工艺需求的厚度，轧制力最大可减小62%；

3）增强涂层材料与集流体的结合力，减少电池在充放电循环过程中掉粉情况的发生，提高电池的循环寿命。

5.张力与纠偏机构

辊压的收、放卷均布置有张力和纠偏控制系统。

纠偏。如下图所示，通过纠偏传感器探测基材/膜片的边缘的大小，反馈给控制器来驱动执行机构，将基材/膜片恢复至设定位置。

张力控制。如下图所示，通过张力传感器传输的信号，经过控制器运算处理后，调节执行机构，达到自动精确控制张力的目的。

6.主要张力作用介绍

放卷张力

辊压机放卷张力主要作用为保持放卷平稳，改参数尽在新设备导入或者设备大修后进行一次调试，调试OK后基本不需要频繁的调整。

入牵张力

辊压机入牵张力主要作用为对极片在入轧辊前进行预拉伸（拉伸极耳留白区），防止极片在轧制时，因涂敷区延展导较多，极耳留白区延展少，导致留白褶皱进而引起辊压断带，入牵张力通过辊压机张力辊给极片施加拉伸力，通过在过辊上留白对应区粘贴铁氟龙使拉伸力主要作用在极耳上，从而实现留白的拉伸延展，其延展量取决于铁氟龙的厚度和入牵张力的大小；

出牵张力

出牵张力与入牵张力的原理一致，其位于辊压机出轧辊处，主要作用为拉伸极耳留白，使其延展量与辊压后涂敷区的延展量保持一致，最终确保极片的平整度，以便于后续的极片模切和卷绕；

收卷张力

辊压机收卷张力主要作用为保证极片收卷紧致、整齐，收卷紧致可以保证极卷在转运和后工序放卷时不会发生打滑，收卷整齐可以保证后工序在放卷时不会因为极片左右张力不一致而跑偏或断带；收卷张力的大小需要控制在一定程度，张力过大容易导致极片变形，张力过小则容易导致收卷炮筒；

7.辊缝控制机构

①斜铁辊缝控制：在上下轧辊之间有一个斜铁装置（一种无滚针，如图1，一种有滚针，如图2），轧辊压合后将会压在斜铁上，通过调整斜铁的位置，可以调整轧辊在纵向上的位置，达到辊缝调节的目的。

②无斜铁辊缝控制：Cis辊压机为上辊固定，下辊活动的辊压原理（无楔铁），采用伺服液压系统对辊缝进行控制以达到极片轧制需求。

采用液压伺服系统进行辊缝控制，其选用MTS传感器，配合MOOG伺服阀对辊缝进行控制，该传感器提供的绝对值输出型线性位移传感器采用其专有的磁致伸缩技术，实现精确的油缸位置测量。

伺服阀选用MOOG伺服阀，通过改变输入信号，连续、成比例的控制流量和压力对极片进行轧制，使得轧制后的极片符合工艺需求。

8.弯缸机构

如图1，在轧制的过程中，由于轧辊两端受力（红色区域）会产生形变，影响厚度一致性。在上下轧辊中间部分的两端分别施加1个与轧制向反的力，这种调节压力的方式叫做弯辊，也叫消隙压力。 图2为轧辊装置主题部分结构图，图2为单侧2缸结构，图3为单侧4缸结构 。弯辊压力需随轧制力增大而增大，通常情况下设定值等于轧辊自重。

9.除尘除磁系统

除尘：辊压分切产生切割的部位均配置有除尘管道，且末端风速需≥10m/s。入辊前另配有风刀除尘，对极片表面进行吹扫，风刀有出风风刀和回风风刀组成，吹扫后的气流由回风风刀吸回除尘系统内，如图1所示；

除磁：在极片两面各安装有一根强磁磁棒，走带时吸附极片表面的磁性物质，磁场轻度需≥10000Gs，磁棒距离极片距离5-10mm，如图2所示。

10.负极刮刀机构

由于负极极片辊压前内聚力较小，且烘干时会有粘结剂SBR上浮现象，加之表面有掉粉现象，表面粉料易粘到主辊上，故需要对轧辊表面粘附的活性物质进行清理，目前普遍的技术是使用刮刀将轧辊表面多余的活性物质剔除。目前市面上大都已全面推行气缸式刮刀机构，即将刮刀片固定在刮刀架上以后使用气缸将刮刀机构整体向前推，使刮刀接触主辊进行作业。优点是刮刀受力均匀，与辊面的贴合度更好，刮刀与辊面的挤压力可以通过气缸气压进行调节，并且刮刀与辊面的角度调整范围更宽，为25°至39°，根据实际主辊粘料程度进行调节。

四、测量系统详解

1.激光测厚仪原理

如下图1三角测量法，图2遮挡求差法，除cis机台配置为遮挡求差法测厚仪外，其余均为图1测量原理。

①图1：一束光从右侧照向支撑辊膜片的侧面，这束光被左侧的256像素的CCD接收；

②图2：中被膜片遮挡住的弱光像素和未被遮挡的强光像素的临界区域位置来判断膜片的厚度，通过磁力感应器测定膜片到支撑辊表面的距离来补偿测定的厚度值。

2.激光测厚应用及优点

正负极激光测厚仪在使用时，两个激光位移传感器的激光对射，电池极片放置在对射区域内，根据测量极片上表面和下表面的距离，计算出极片的厚度，如下所示；

激光测厚仪具备以下使用特点：

①精度高（具备微米级小数点后两位），无辐射（β-Ray面密度测试仪有辐射），安全性能好；

②响应快速，不受被测目标材质影响；

③实时厚度曲线显示、绘制，历史厚度曲线储存；

④全数字系统，使用方便、易操作；

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