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在可持續的現代社會和氣候目標的背景下，電池儲能技術已成為全球汽車行業轉型和全球經濟可持續增長的重要方向。鋰離子電池（LIB）由于其長周期壽命和高倍率性能，已成為消費者、電力和儲能市場的主要儲能解決方案之一。當前鋰離子電池在降低生產成本、提高性能和耐久性方面仍然存在挑戰，因此，深入了解生產過程對電池的影響，以及生產過程特殊需求評估有著十分重要的意義，未來的趨勢和方向不僅取決于鋰離子電池材料的變化，還取決于生產工藝。輥壓工藝通過在適當的輥壓速度和溫度下預先設定間隙尺寸或兩個輥之間的力，確保鋰電極片達到所需的壓實密度。為了增加電池容量，提高電子傳導性和電化學性能，鋰離子電池極片采用輥壓工藝進行生產。深入研究并理解輥壓工藝過程中電極微觀結構的演變，以及工藝參數對電極最終結構和性能的影響，有利于更加精細化控制電極而提高綜合性能，對鋰離子電池的設計與生產控制具有重要的意義。

2022年度，Zhang等人1 結合離散元法數值模擬和壓延試驗，對極片輥壓過程開展了系統化的微觀和宏觀研究，并使用Heckel方程補充了電極壓縮預測模型，圖1為極片在壓縮過程中應力與位移曲線示意圖。文中明確了極片形變與顆粒粉碎、二次顆粒融合、粘合劑網絡壓縮和集流體表面變形有關。同時，研究結果表明電子導電性的增加，一方面與電極內部的導電路徑得到改善有關，另一方面與涂層和集流體之間接觸的收緊有關。本文以此研究為基礎，采用BER2500系列極片電阻儀測試設備，對不同壓實密度即不同輥壓壓力下的石墨極片進行導電性能測試。同時，結合設備的平壓結構對極片進行壓縮性能的測試分析，為鋰離子電池極片輥壓生產工藝評估提供一種新方法。

圖1. 極片力-位移曲線示意圖

（綠色區域表示實驗結果，灰色區域表示模擬結果）

實驗設備與測試方法

1.1實驗設備

測試設備型號BER2500（IEST元能科技），電極直徑14mm，可施加壓強范圍5~60MPa。設備如圖2（a）和2（b）所示。

圖2. (a）BER2500外觀圖；（b）BER2500結構圖

1.2 樣品制備與測試

1.2.1 將同一工藝配方條件下的漿料統一涂布后，我們分別采用小、中、大等不同的壓力進行輥壓，獲得1/2/3/4共四種壓實的成品極片，其中極片輥壓的壓力為1＜2＜3＜4。采用裁片-測厚-稱重的方式分別計算四種極片的壓實密，其壓實密度大小同樣呈現1（1.35g/cm3）＜2（1.5g/cm3）＜3（1.6g/cm3）＜4（1.65g/cm3），即隨著輥壓壓力的增大，壓實密度也呈現增大趨勢。1.2.2 結合BER2500設備，采用穩態測試模式，以5-60MPa，間隔5MPa，保壓15s，對不同壓實密度的極片壓縮和電阻進行對比測試。測試具體過程為：從5MPa開始施加一定壓力并保持15s，極片被壓縮，同時記錄極片的厚度和電阻；然后以5MPa為間隔增加壓力，再記錄極片的厚度和電阻，以此類推直至60MPa；然后再逐步降低施加壓力進行卸載并記錄厚度和電阻。

數據分析

獲得四種不同壓實密度的電極后，采用穩態模式對極片分別進行不同量化壓強條件下的加載壓縮-卸載反彈測試，記錄厚度變化，并以初始壓強點5MPa為基準，對厚度形變量進行歸一化計算，得到不同極片的應力應變曲線（如圖3所示），同時對其形變情況進行匯總（如表1所示）。從結果圖表可以看出，隨著極片輥壓壓力的增大，四種極片的最大形變、可逆形變及不可逆形變均逐漸減小（1>2>3>4），但減小的趨勢逐漸變緩。這種變化趨勢與極片涂層部分粉體的充填和壓實效應息息相關，包括粉體顆粒的流動和重排、彈性和塑性變形、破碎情況等。通常極片壓延過程需要克服摩擦力、表面作用力、彈性形變、塑性形變和破碎等對電極涂層做功，使電極壓實。

本文實驗所設計的涂層部分材料配方一致，不同輥壓壓力會直接影響顆粒的流動和重排，輥壓壓力增加更能克服顆粒與顆粒之間的摩擦力，使顆粒排列更緊密，相互結合更緊密。并且，隨著輥壓壓力的增大，粉體首先發生重排，填充原先的孔洞部分；顆粒之間緊密接觸后，壓力繼續增加，顆粒之間相互作用并發生彈性形變，當壓力增加到顆粒的屈服應力之后，活性顆粒發生塑性形變，這也是隨著輥壓壓力的增大，壓實密度逐漸增大的關鍵原因。鋰離子電池極片配方通常還需要在活性粉體中加入功能性添加劑，如助流劑、粘結劑、導電劑等，這些也會影響極片在不同壓力下整體狀態的變化。實際極片生產中，極片是受工藝條件輥壓力、張力、速度及粉體壓縮性能等綜合因素影響的。本文實驗中所設定的整體壓力偏小，但在壓縮性能趨勢上與實際生產工藝一致，可以作為工藝評估的一種有效手段。

圖3. 四種極片的應力應變(壓縮性能)曲線

表1. 四種極片形變情況匯總

在鋰離子電池極片的輥壓過程中，極片的寬度和長度變形很小，極片輥壓可降低涂層厚度、增加壓實密度、提高涂層粘結性，達到穩定電極結構和提高電池容量的目的。極片的輥壓過程是單位面積質量幾乎不變而體積減小的過程。顆粒之間，顆粒與集流體之間都通過粘結劑將他們結合在一起，極片厚度方向上的壓縮是集流體與涂層同時壓縮的結果，但是集流體厚度變化比較小，極片上的粉體顆粒與集流體之間也存在相互作用，輥壓過程中顆粒會對集流體形成凹坑，從而增加涂層與集流體的接觸面積和粘結性。如圖4和5分別為四種不同壓實密度的極片在穩態模式一系列施加壓力的平壓下厚度變化曲線和電阻率變化曲線，從厚度變化曲線上看，隨著輥壓壓力的增大，極片的整體厚度整體變小，一定壓力后極片的厚度趨于穩定，同時低壓力輥壓極片更易出現反彈，所以在變壓測試中厚度隨壓強的變化量較大。而電阻率曲線中極片1、2的變化趨勢大于極片3、4，這主要是因為相對于極片1、2，大輥壓壓力下的極片3、4涂層顆粒之間接觸以及涂層與集流體之間的接觸更緊密，平壓測定過程極片整體厚度變化量更小。而對比不同壓強下的電阻率測試結果，小輥壓壓力極片絕對值小于大輥壓壓力，這可能是因為經平壓極片厚度方向上的變化更易使極片縱向導電性能變好，在實際電子導電性能評估中可結合具體需求選擇最合理的參數進行測試。

圖4. 四種極片的厚度變化曲線

圖5. 四種極片的導電性能測試曲線

總結

本文采用BER2500系列極片電阻儀測試設備（點擊文末閱讀原文查看詳細介紹），對不同輥壓壓力下的石墨極片進行壓縮性能及導電性能測試，可有效區分不同輥壓壓力下極片的性能差異，實際生產工藝中輥壓壓力的選擇要結合具體工藝配方進行合理的選擇，提高電池容量的同時，也可有效提升電池整體的電性能發揮。

文獻原文

[1]Zhang J, Huang H, Sun J. Investigation on mechanical and microstructural evolution of lithium-ion battery electrode during the calendering process[J]. Powder Technology, 2022, 409: 117828.

[2]B.G. Westphal et al. Influence of high intensive dry mixing and calendering on relative electrode resistivity determined via an advanced two point approach. Journal of Energy Storage 2017, 11, 76–85

[3]楊紹斌, 梁正. 鋰離子電池制造工藝原理與應用[M]. 化學工業出版社, 2020.