Het principe en de functie van de batterij-elektrodekalandermachine

Lithium-ionbatterijen worden veel gebruikt in verschillende gebieden, zoals elektrische voertuigen, consumentenelektronica, energieopslag en ruimtevaart. De prestaties en kwaliteit van lithium-ionbatterijen zijn afhankelijk van de elektrodematerialen en hun verwerkingsmethoden. Een van de belangrijkste processen bij de fabricage van elektroden is kalanderen, wat de compressie is van de elektrodenbrij die op de stroomcollectorfolie is gecoat door een paar rollen. Kalanderen kan de dichtheid, geleidbaarheid, adhesie en mechanische sterkte van de elektrode verbeteren, evenals de dikte en porositeit verminderen. Kalanderen heeft echter ook enkele nadelen, zoals scheuren, delaminatie, spanningsaccumulatie en capaciteitsverlies. Daarom is het belangrijk om de kalanderparameters te optimaliseren en de juiste apparatuur te selecteren voor verschillende soorten elektroden en specificaties.

Een kalandermachine voor batterijelektroden (rollende persmachine) is een apparaat dat bestaat uit twee of meer rollen die in tegengestelde richtingen draaien en druk uitoefenen op het materiaal dat er doorheen gaat. Er zijn verschillende soorten kalandermachines, zoals tweerols-, drierols-, vierrols- en multirolskalanders. Onder hen is de kalander met twee rollen de meest gebruikte voor het kalanderen van lithium-ionbatterijelektroden. Een kalander met twee rollen heeft twee cilindrische rollen met instelbare opening en druk. De elektrodefolie wordt in de opening gevoerd en door de rollen samengedrukt. De dikte en dichtheid van de elektrode kunnen worden geregeld door de opening en druk aan te passen.

Het toepassingsgebied van de kalandermachine met twee rollen voor lithium-ionbatterijelektroden is afhankelijk van verschillende factoren, zoals het elektrodemateriaal, de coatingmethode, de laagdikte, het rolmateriaal, de roldiameter, de rolsnelheid en de roltemperatuur. Over het algemeen is de kalandermachine met twee rollen geschikt voor elektroden met een gemiddelde laagdikte (10-50 micron), hoge dichtheid (1,5-2 g/cm3) en lage porositeit (30-40%). Het rolmateriaal moet hard en glad zijn, zoals staal of verchroomd staal. De roldiameter moet groot genoeg zijn om overmatige buigspanning op de elektrodefolie te voorkomen. De rolsnelheid moet worden afgestemd op de invoersnelheid om wegglijden of scheuren te voorkomen. De temperatuur van de rol moet op kamertemperatuur of iets hoger worden gehouden om thermische uitzetting of samentrekking van de elektrode te voorkomen.

Het werkingsprincipe van de kalandermachine met twee rollen voor lithium-ionbatterijelektroden is gebaseerd op de theorie van elastisch-plastische vervorming. Wanneer de elektrodefolie in de opening tussen de rollen komt, ondergaat het eerst een elastische vervorming, wat betekent  dat het na het lossen zijn oorspronkelijke vorm kan herstellen. Naarmate de druk toeneemt, bereikt de elektrodefolie het vloeipunt en ondergaat het plastische vervorming, wat betekent dat het na het ontlasten enige blijvende vervorming behoudt. De plastische vervorming kan de dikte verminderen en de dichtheid van de elektrode verhogen. Als de druk echter te hoog is, kan dit onomkeerbare schade aan de elektrodestructuur en -eigenschappen veroorzaken, zoals barsten, delaminatie of capaciteitsverlies.

De uitrustingsfunctie van de kalandermachine voor batterijelektroden voor lithium-ionbatterijelektroden is het verbeteren van de prestaties en kwaliteit van de elektroden door hun fysieke parameters te optimaliseren. Door een kalandermachine met twee rollen te gebruiken, kan men het volgende bereiken:

- Hogere dichtheid: Kalanderen kan de pakkingsdichtheid van de actieve materiaaldeeltjes verhogen en de lege ruimte ertussen verkleinen. Dit kan de geleidbaarheid, capaciteit en levensduur van de elektrode verbeteren.

- Lagere dikte: Kalanderen kan de dikte van de elektrode verminderen en de specifieke capaciteit (capaciteit per oppervlakte-eenheid) vergroten. Dit kan het gewicht en het volume van de batterij verminderen en de energiedichtheid verbeteren.

- Betere hechting: Kalanderen kan de hechting tussen de actieve materiaallaag en de stroomcollectorfolie verbeteren, evenals tussen verschillende lagen van de elektrode (zoals bindmiddel, geleidend additief en separator). Dit kan de mechanische sterkte en stabiliteit van de elektrode verbeteren.

- Gelijkmatige porositeit: Kalanderen kan een uniforme porieverdeling in de elektrode creëren, wat de infiltratie van elektrolyt en ionentransport kan vergemakkelijken. Dit kan de snelheidsprestaties en veiligheid van de batterij verbeteren.