Le principe et la fonction de la machine de calandrage des électrodes de batterie

Les batteries lithium-ion sont largement utilisées dans divers domaines, tels que les véhicules électriques, l'électronique grand public, le stockage d'énergie et l'aérospatiale. Les performances et la qualité des batteries lithium-ion dépendent des matériaux d'électrode et de leurs méthodes de traitement. L'un des processus clés dans la fabrication d'électrodes est le calandrage, qui est la compression de la suspension d'électrode enduite sur la feuille de collecteur de courant par une paire de rouleaux. Le calandrage peut améliorer la densité, la conductivité, l'adhérence et la résistance mécanique de l'électrode, ainsi que réduire l'épaisseur et la porosité. Cependant, le calandrage présente également certains inconvénients, tels que la fissuration, le délaminage, l'accumulation de contraintes et la perte de capacité. Par conséquent, il est important d'optimiser les paramètres de calandrage et de sélectionner l'équipement approprié pour différents types d'électrodes et spécifications.

Une machine de calandrage d'électrodes à batterie (presse à rouler) est un dispositif composé de deux rouleaux ou plus qui tournent dans des directions opposées et appliquent une pression sur le matériau qui les traverse. Il existe différents types de machines de calandrage, telles que les calandres à deux rouleaux, trois rouleaux, quatre rouleaux et multi-rouleaux. Parmi elles, la calandre à deux rouleaux est la plus couramment utilisée pour le calandrage des électrodes des batteries lithium-ion. Une calandre à deux rouleaux comporte deux rouleaux cylindriques avec un écartement et une pression réglables. La feuille d'électrode est introduite dans l'espace et comprimée par les rouleaux. L'épaisseur et la densité de l'électrode peuvent être contrôlées en ajustant l'écart et la pression.

Le champ d'application de la machine de calandrage à deux rouleaux pour les électrodes de batterie lithium-ion dépend de plusieurs facteurs, tels que le matériau de l'électrode, la méthode de revêtement, l'épaisseur du revêtement, le matériau du rouleau, le diamètre du rouleau, la vitesse du rouleau et la température du rouleau. D'une manière générale, la machine de calandrage à deux rouleaux convient aux électrodes à épaisseur de revêtement modérée (10-50 microns), à haute densité (1,5-2 g/cm3) et à faible porosité (30-40%). Le matériau du rouleau doit être dur et lisse, comme de l'acier ou de l'acier chromé. Le diamètre du rouleau doit être suffisamment grand pour éviter une contrainte de flexion excessive sur la feuille d'électrode. La vitesse du rouleau doit être adaptée à la vitesse d'alimentation pour éviter tout glissement ou déchirement. La température du rouleau doit être maintenue à température ambiante ou légèrement supérieure pour éviter la dilatation thermique ou la contraction de l'électrode.

Le principe de fonctionnement de la machine de calandrage à deux rouleaux pour électrodes de batterie lithium-ion est basé sur la théorie de la déformation élasto-plastique. Lorsque la feuille d'électrode pénètre dans l'espace entre les rouleaux, elle subit d'abord une déformation élastique, ce qui signifie  qu'elle peut retrouver sa forme d'origine après le déchargement. Lorsque la pression augmente, la feuille d'électrode atteint sa limite d'élasticité et subit une déformation plastique, ce qui signifie qu'elle conserve une certaine déformation permanente après le déchargement. La déformation plastique peut réduire l'épaisseur et augmenter la densité de l'électrode. Cependant, si la pression est trop élevée, cela peut causer des dommages irréversibles à la structure et aux propriétés de l'électrode, comme la fissuration, le délaminage ou la perte de capacité.

La fonction d'équipement de la machine de calandrage d'électrodes de batterie pour électrodes de batterie lithium-ion est d'améliorer les performances et la qualité des électrodes en optimisant leurs paramètres physiques. En utilisant une machine de calandrage à deux rouleaux, on peut obtenir :

- Densité plus élevée : le calandrage peut augmenter la densité de tassement des particules de matière active et réduire l'espace vide entre elles. Cela peut améliorer la conductivité, la capacité et la durée de vie de l'électrode.

- Épaisseur inférieure : Le calandrage permet de réduire l'épaisseur de l'électrode et d'augmenter sa capacité spécifique (capacité par unité de surface). Cela peut réduire le poids et le volume de la batterie et améliorer sa densité énergétique.

- Meilleure adhérence : le calandrage peut améliorer l'adhérence entre la couche de matériau actif et la feuille de collecteur de courant, ainsi qu'entre différentes couches de l'électrode (telles que le liant, l'additif conducteur et le séparateur). Cela peut améliorer la résistance mécanique et la stabilité de l'électrode.

- Porosité uniforme : le calandrage peut créer une distribution uniforme des pores dans l'électrode, ce qui peut faciliter l'infiltration de l'électrolyte et le transport des ions. Cela peut améliorer les performances de débit et la sécurité de la batterie.