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锂电池隔膜应用
电磁加热辊应用于干法锂电池隔膜拉伸工序,均匀的温度能为保证孔隙率一致性、孔径大小及分布、力学强度提供有效保障。

锂电池隔膜生产应用

 

一、锂离子电池隔膜简介

      电池按照工作性质可以分为一次电池和二次电池。一次电池是指不可以循环使用的电池。二次电池是指可以反复充电、循环使用的电池,如先后商业化使用的铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池以及锂离子电池。锂离子电池具有平均输出电压高,比能量大,无记忆效应,使用寿命长,安全性能好、不含有毒物质等特点。因此,也被称为“绿色电池”。


 锂离子电池制造所需的正极材料、负极材料、隔膜和电解质材料被称为锂离子电池四大关键材料。

      其中,隔膜的主要作用是使电池的正、负极分隔开来,防止两极接触而短路,同时具有能使电解质离子通过的功能。其性能决定了电池的界面结构、内阻等,直接影响电池的容量、循环以及安全性能等特性,性能优异的隔膜对提高电池综合性能具有重要作用。

    锂电池隔膜是四大材料中技术壁垒最高的部分,其成本占比仅次于正极材料,约为10%-14%,在一些高端电池中,隔膜成本占比甚至达到20%。隔膜产品主要有单层PP、单层PE、PP+陶瓷涂覆、PE+陶瓷涂覆、双层PP/PE、双层PP/PP和三层PP/PE/PP等,其中前两类产品主要用于3C消费电池,后几类产品主要用于动力锂电池。我国企业主要生产双层PP/PP隔膜,而全球汽车动力锂电池使用的隔膜以三层PP/PE/PP、双层PP/PE以及PP+陶瓷涂覆、PE+陶瓷涂覆等隔膜材料产品为主。这主要是因为我国目前的还不具备将PP与PE制成双层复合膜的技术和能力。

    隔膜的技术工艺,分为干法和湿法干法工艺的原理是物理拉伸,结晶和淬取。相对于干法工艺,湿法工艺的原理是相位分离,制备的隔膜微孔分布均匀性好,孔径大小合适,闭孔温度低,双向拉伸强度高,刺穿强度高,可以制备较薄的隔膜。湿法工序较干法更为复杂,资金投入更大,生产周期也更长,技术壁垒较高,其生产设备的复杂程度也远高于干法工艺。



干法及湿法工艺示意图


二、现有技术分析:

锂电隔膜的技术的难点在于基体材料制备以及造孔的工程技术。除了基材、添加剂、制膜工艺的影响之外,生产设备对于造孔的稳定性也有很大的影响,加热辊及冷却辊的表面温度均匀性以及机械精度都是其中重要的影响因素。传统的导热油加热辊造价低,但使用一段时间后,往往因为导热油结碳等原因导致辊面温差急剧加大。温度的不均匀会加大孔径分布,从而影响隔膜的一致性。表现为孔隙率一致性、孔径大小及分布、力学强度等方面。

同样,膜片冷却过程的换热,采取冷却辊作为换热工具,

冷却辊的温度均匀性同样至关重要。温度的均匀性同样会影响到产品最终性能。同时,在环境露点相对低的时期,生产过程中,冷却辊两端面会结露,会给生产带来诸我麻烦。

三、解决方案

      联净电磁感应加热辊采用特殊的均温结构,可以将辊筒表面温度始终维持在±1℃以内,从而确保孔隙率一致性、孔径大小及分布、力学强度一致性良好,提高产品的总体性能。对机械方面的考虑到一般薄膜的厚度为0.015mm,建议将跳动指标做高到0.005mm,减少机械能影响薄膜的一致性。

     同时,电磁加热辊采用单个独立闭环回路控温,可以让用户实现更多的工艺可能。对于隔膜拉伸,以16~20支辊组为一个牵伸单元为例。为提高辊筒的通用性,从功率设计等方面全部一致,但在工作时,其表面温度设定建议根据工艺的需要逐步提高,而不是每支辊的温度设定一样。这样,可以确保拉伸更加均匀。

     为确保薄膜受热均匀,避免前面几支辊筒的热负荷特别高、后几支辊筒热负荷特别低的情况,辊组的温度设定应从低到高逐步升高,让各辊筒的负荷尽可能均衡。其中前面约14支左右的辊筒主要起升温作用,而后面6支辊筒温度设定到最高,主要起保温和适量补充热量的作用。薄膜总的温升ΔT就等于各辊筒ΔTi之和。

       ΔT=ΔT1+…ΔTi +…+ΔTn。

       通常,对用于加热的各辊筒温度升高的幅度(ΔTi)设置值都比较接近,这样,其实际负荷也就接近了。辊筒的温度设定和薄膜的实际温度如下图所示。

                                      注:上述温度梯度的建议仅供参考,具体须由工艺条件决定。

 

膜片的冷却,采用无结露冷辊对现有冷却辊进行替换。联净无结露冷却辊采用独特的结构设计和先进的热交换技术,使得工作区域的热量能够迅速传递到两端,不但可以使得辊面温度均匀一致,而且可以杜绝辊体两端的结露问题,大幅提高产品品质。和传统的冷却辊相比,上海联净新型冷却辊由于内部结构复杂,有较高的技术含量,其造价也必然相应上升,但是,新型冷却辊带来的生产效率提高、产品质量稳定是无法用两种辊价格之差来衡量的。目前,全世界只有为数不多的企业掌握了这项均温冷却技术,和国外同行相比,上海联净的产品价格更低,但都能达到同样的效果。


1.电磁加热辊:
四、产品相关参数概要:


辊体规格

Φ160~350mm×1400~1800mm

辊体材质

45#钢

辊面

层厚度

0.06~0.10mm

粗糙度

Ra≦0.1(镜面)

跳动

0.005mm(推荐)

最高温度

160℃

工作区温度梯度

±1

加热功率容量

16~40kVA


2.无结露冷却辊


辊体外径

400~600 mm

辊体材质

45#钢

辊体表面镀层材质

硬铬

辊表面镀层厚度

0.05~0.08mm

辊体表面粗糙度

Ra≦0.1(镜面

跳动度

0.01mm(推荐)

运行速度(最高)

20m/min

动平衡

G16