Il principio e la funzione della calandratrice per elettrodi a batteria

Le batterie agli ioni di litio sono ampiamente utilizzate in vari campi, come i veicoli elettrici, l'elettronica di consumo, lo stoccaggio di energia e l'aerospaziale. Le prestazioni e la qualità delle batterie agli ioni di litio dipendono dai materiali degli elettrodi e dai loro metodi di lavorazione. Uno dei processi chiave nella produzione degli elettrodi è la calandratura, che è la compressione dell'impasto liquido dell'elettrodo rivestito sulla lamina del collettore di corrente da una coppia di rulli. La calandratura può migliorare la densità, la conduttività, l'adesione e la resistenza meccanica dell'elettrodo, nonché ridurre lo spessore e la porosità. Tuttavia, la calandratura presenta anche alcuni inconvenienti, come fessurazioni, delaminazione, accumulo di sollecitazioni e perdita di capacità. Pertanto, è importante ottimizzare i parametri di calandratura e selezionare l'attrezzatura appropriata per diversi tipi di elettrodi e specifiche.

Una calandra a elettrodi a batteria (pressa rullatrice) è un dispositivo costituito da due o più rulli che ruotano in direzioni opposte e esercitano una pressione sul materiale che li attraversa. Esistono vari tipi di calandratrici, come le calandre a due rulli, a tre rulli, a quattro rulli ea più rulli. Tra questi, la calandra a due rulli è quella più comunemente utilizzata per la calandratura di elettrodi per batterie agli ioni di litio. Una calandra a due rulli ha due rulli cilindrici con gioco e pressione regolabili. La lamina dell'elettrodo viene inserita nello spazio e compressa dai rulli. Lo spessore e la densità dell'elettrodo possono essere controllati regolando lo spazio e la pressione.

L'ambito di applicazione della calandratrice a due rulli per elettrodi per batterie agli ioni di litio dipende da diversi fattori, come il materiale dell'elettrodo, il metodo di rivestimento, lo spessore del rivestimento, il materiale del rullo, il diametro del rullo, la velocità del rullo e la temperatura del rullo. In generale, la calandratrice a due rulli è adatta per elettrodi con spessore di rivestimento moderato (10-50 micron), alta densità (1,5-2 g/cm3) e bassa porosità (30-40%). Il materiale del rullo deve essere duro e liscio, come acciaio o acciaio cromato. Il diametro del rullo deve essere sufficientemente grande da evitare eccessive sollecitazioni di flessione sulla lamina dell'elettrodo. La velocità del rullo deve essere abbinata alla velocità di alimentazione per evitare slittamenti o strappi. La temperatura del rullo deve essere mantenuta a temperatura ambiente o leggermente superiore per evitare l'espansione termica o la contrazione dell'elettrodo.

Il principio di funzionamento della calandratrice a due rulli per elettrodi per batterie agli ioni di litio si basa sulla teoria della deformazione elasto-plastica. Quando la lamina dell'elettrodo entra nello spazio tra i rulli, subisce prima una deformazione elastica, il che significa  che può recuperare la sua forma originale dopo lo scarico. All'aumentare della pressione, la lamina dell'elettrodo raggiunge il suo punto di snervamento e subisce una deformazione plastica, il che significa che mantiene una certa deformazione permanente dopo lo scarico. La deformazione plastica può ridurre lo spessore e aumentare la densità dell'elettrodo. Tuttavia, se la pressione è troppo alta, può causare danni irreversibili alla struttura e alle proprietà dell'elettrodo, come incrinature, delaminazione o perdita di capacità.

La funzione dell'apparecchiatura della calandratrice per elettrodi batteria per elettrodi batteria agli ioni di litio è quella di migliorare le prestazioni e la qualità degli elettrodi ottimizzando i loro parametri fisici. Utilizzando una calandratrice a due rulli si possono ottenere:

- Maggiore densità: la calandratura può aumentare la densità di impaccamento delle particelle di materiale attivo e ridurre lo spazio vuoto tra di esse. Ciò può migliorare la conduttività, la capacità e la durata del ciclo dell'elettrodo.

- Spessore inferiore: la calandratura può ridurre lo spessore dell'elettrodo e aumentarne la capacità specifica (capacità per unità di superficie). Ciò può ridurre il peso e il volume della batteria e migliorarne la densità energetica.

- Migliore adesione: la calandratura può migliorare l'adesione tra lo strato di materiale attivo e la lamina del collettore di corrente, nonché tra i diversi strati dell'elettrodo (come legante, additivo conduttivo e separatore). Questo può migliorare la resistenza meccanica e la stabilità dell'elettrodo.

- Porosità uniforme: la calandratura può creare una distribuzione uniforme dei pori nell'elettrodo, che può facilitare l'infiltrazione dell'elettrolita e il trasporto di ioni. Ciò può migliorare le prestazioni di velocità e la sicurezza della batteria.