干法电极成膜压延机及工艺设计原则

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干法电极工艺一般有两种：粉末喷涂法和粘结剂纤维化法。其中，粘结剂纤维化干法电极技术的主要工艺过程是初步纤维化的粘结剂、活性材料和导电剂混合粉末利用多级辊压机，差速辊压过程中的剪切力使粘结剂进一步纤维化并制备成自支撑膜，然后再和集流体复合。本文主要从原理上探讨干法电极成膜压延机及工艺的设计原则。

一般地，电极、板材辊压或者粉末辊压成型机的辊压工艺示意图如图1所示，两个同向转动的辊子对来料进行加工，加工区可以分为三个区域：进料区（图中绿色）、压实区（图中红色）和出料区（图中黄色）。来料加工之后，电极或粉末被压实，密度不断增加，而厚度不断降低。如图1所示，我们可以通过角度α来确定和区分进料区和压实区。

图1 粉末辊压成型工艺示意图

两辊之间各个区域具有不同的受力和粉体运动特点，其中：

进料区：辊子径向对材料的作用力可分解为对材料的压力和对材料的横向剪切力。在进料区，压力分力比较小，剪切力分力比较大。粉末通过颗粒和辊子表面，以及颗粒之间的摩擦作用进入压实区，材料主要以滑动的形式发生位移，因此该区又称为滑动区（slip region）。两个辊子的速度差在给定角度下会形成粉末颗粒与辊子表面大致平行的剪切平面。

压实区：在进料区和压实区交界处，粉末剪切力为零。物料法向压力随着压延间隙和角度减小而迅速增加。该区域材料主要受到压力作用而被压实，因此该区域称为压实区（nip region）。

确定压实区角度α的方法

如图1所示，区分进料区和压实区的角度α取决于影响摩擦和剪切的设备、工艺和材料参数。当材料以松散的状态刚进入进料区，在剪切力的作用下粉末颗粒之间，粉末与辊表面主要发生滑动。当粉末进入过渡点（对应角度α），其中粉末停止沿辊子表面滑动，并开始以与辊子相同的速度行进。在数学上描述系统的压力分布，对于只发生滑移和不发生滑移的情况，都有对应的压力梯度表达式。对应的只发生滑移时，压力梯度数学公式为：

不发生滑移时，与辊粘附移动时，压力梯度数学公式为：

式中，σ表示压力，δ为内摩擦角，D为辊子直径，K为粉末材料的可压缩性，φ壁面摩擦角(摩擦系数µ=tan φ)，S辊缝间隙。其中，

这两个压力分布的梯度在一个点上相等，这个点就是压实区角α。如图2所示，实线表示粉末经历连续滑移的压力梯度，虚线表示粉末以与棍子相同的速度行进时的压力梯度，两条曲线的交点给出了角度α，即压实NIP区的起点。

图2 压实区角度α确定原则

与传统电极辊压或粉末压实的区别：

电极辊压主要目的是对电极进行压实，应避免剪切，防止破坏粘结剂的粘附效果，因此在辊压成型工艺中应该尽量减少进料滑动区，增加压实区，是材料更多收到压力作用被压实。
干法电极中，强压实会导致电极非常致密，粉末无法流动以剪切的形式通过辊压区，而粉末颗粒之间主要以点形式接触，力的传递、压力积聚和力的分布通常不均匀，这会导致强压实的电极膜的厚度和密度分布不均匀，容易出现空洞、裂纹等缺陷，从而导致干法电极工艺一致性、稳定性差。
干法电极辊压成膜工艺应该更多地促进粉末的剪切，使粘结剂更加充分均匀地纤维化，因此，辊压机和工艺设计时应该最大化压延机的进料区，同时最小化压实区，以增加材料受剪切力作用的区间，实现均匀的粉末分布和充分纤维化，并且仅施加较小的必要压实度以形成机械稳定的电极。

根据以上分析可知，在辊压机与工艺设计时，需要考虑的参数包括设备参数、工艺参数和材料参数。

n设备参数：辊表面形态、辊材料特性、辊直径、辊宽度等；

n工艺参数：工作压力、扭矩、辊压速度、辊速差和辊缝间距等；

n材料参数：粉末的粒度和分布、颗粒形态、材料成分、混合状态和表面化学性质、有效摩擦角、内聚力、可压缩性、堆积密度和屈服应力等。

设计的辊子表面形态和特性来优化辊表面和粉末之间的摩擦，随着相邻颗粒之间速度差的增加，可以促进粉末中的剪切平面，流动性好的粉体更容易滑动，对粘结剂实施剪切作用，有利于干法制造工艺，比如低比面积的球形颗粒。以上根据资料和分析，个人对干法电极成膜压延机及工艺设计原则的理解，不对之处欢迎批评指正。

参考文献

[1]A. Gyulai, W. Bauer, H. Ehrenberg, Dry electrode manufacturing in a calender: the role of powder premixing for electrode quality and electrochemical performance, Acs Appl. Energ. Mater. 6 (2023) 5122-5134.

[2]Marcin Balicki, Numerical Methods For Predicting Roll Press Powder Compaction Parameters, 2003.

[3][1] K.A. Yehia, Estimation of roll press design parameters based on the assessment of a particular nip region, Powder Technol. 177 (2007) 148-153.

来源：锂想生活