淺析鋰電池隔膜雙向拉伸線配方喂料方式

程志輝

（銅陵晶能電子股份有限公司，銅陵 244000）

0 引言

帶有微孔的隔膜材料是鋰電池組成結構中最核心的部分之一，隔膜產品性能的好壞直接影響電池成品的品質、放電容量以及循環(huán)使用壽命等關鍵技術指標。在電池使用過程中，隔膜主要對電池正負極進行隔離，防止兩極間形成直接的電子通路，同時隔膜上的微孔又允許電解液環(huán)境中的離子自由通過[1]。

干法雙向拉伸聚丙烯隔膜具有耐高溫性、安全性能好，而被認為是鋰電池材料未來的主要發(fā)展方向之一，而鋰電池隔膜行業(yè)中產品性能的均勻一致性是決定隔膜質量的關鍵所在。在鋰電池隔膜的生產過程中，原料是由聚丙烯（PP）基料和極少量的多種β成核劑、擴散劑等添加劑混合而成，添加劑直接影響著鋰電池隔膜微孔的形成，母料與添加劑的均勻混合決定了隔膜微孔數(shù)量分布和孔徑大小的均勻一致性，如何使其均勻分布在原料PP中，這也成為生產出高品質隔膜的關鍵之一。

1 配料方案設計

1.1 傳統(tǒng)配料方式及弊端

國內現(xiàn)有的干法雙向拉伸鋰電池隔膜生產線，為保證聚丙烯（PP）基料和添加劑混合均勻，傳統(tǒng)做法是二次或多次造粒；即將母料和多種添加劑按照一定比例混合攪拌后送入雙螺桿擠出機高溫熔融擠出，重新生產出含添加劑的聚丙烯（PP）基料，以保證多次造粒后，母料和添加劑的均勻混合。造粒后的聚丙烯（PP）粒料經烘干后喂入主線單螺桿擠出機，熔融、塑化擠出。但此方法存在一些弊端：1）多次造粒會造成原料熔融指數(shù)的升高和波動，分子鏈結構遭到破壞，降低材料的機械和力學性能，使得隔膜在穿刺強度、拉伸強度等性能指標降低，隔膜的品質受到影響；2）在高溫作用下會使物料產生降解物，從而影響產品的成膜性和理化性能；同時增加灰分含量，使得隔膜表面不可避免的產生晶點和魚眼等瑕疵，直接影響隔膜的使用性；3）二次造粒需要造粒設備、能源消耗，同時也增加了生產成本和環(huán)節(jié)控制成本，對隔膜產品的穩(wěn)定性和一致性有著不可避免的影響。

1.2 改進的配方喂料系統(tǒng)結構

整個喂料系統(tǒng)大體可分為三個部分：上料部分、混配料部分、下料部分。

上料部分：上料部分由真空泵、輸送料管道、儲料倉等部分組成。真空泵工作時會在輸送料管道內產生足夠的負壓，依靠管道內外的壓差把原料吸進對應的儲料倉內，每一個料倉吸料的順序會有優(yōu)先級區(qū)分，一般用量比較大的主料（基料）優(yōu)先級最高，輔料（添加劑）次之。主料吸滿后，再切換到輔料1，輔料1吸滿后，再切換到輔料2，依次循環(huán)。如果低優(yōu)先級的原料正在吸料時，高優(yōu)先級的原料提示缺料，則低優(yōu)先級的原料停止吸料，同時立即切換到高優(yōu)先級的原料進行吸料。吸料時間可根據工藝要求任意設置。真空泵配備為兩臺，一備一用，如果運行過程中，正在使用的真空泵突然出現(xiàn)故障，可立即切換到備用泵，不影響生產的正常有序進行。

混配料部分：為解決現(xiàn)有鋰電池隔膜生產過程中二次造粒的問題。本企業(yè)采用不同的喂料系統(tǒng)方式：喂料系統(tǒng)包括存儲料倉、連接料管、失重稱、特制料倉等。當多種粒料配比差異較大時，直接混合是無法保證混合均勻的。為保證下料比例的均勻一致性，就要采用高精度的失重稱和特制料倉；料倉內徑僅稍大于擠出機的進料口，內部設置有靜態(tài)混料裝置，并設置有高、低料位裝置，各與失重稱、擠出機聯(lián)動；特制料倉中低料位是料倉的安全報警裝置，當料位低于此料位時，會發(fā)出報警，如不及時處理，將在規(guī)定的時間內停止擠出系統(tǒng)的運行；高料位與失重稱相聯(lián)，控制失重稱的啟停，保證料倉料位的恒定。生產時，粒料通過失重稱精確配比，進入特制料倉，經靜態(tài)混料裝置，均勻混合層疊于料倉中，保證擠出機進料配比、壓力的恒定；進入擠出機均勻一致的混合后保證熔體質量。此喂料結構可按原料配方要求來設置多種粒子混合。

圖1 失重稱混合配料示意圖

下料部分：料倉內設置有高、低料位裝置，各與失重稱、擠出機聯(lián)動；特制料倉中低料位是料倉的安全報警裝置，當料位低于此料位時，會發(fā)出報警，如不及時處理，將在規(guī)定的時間內停止擠出系統(tǒng)的運行；高料位與失重稱相聯(lián)，控制失重稱的啟停，保證料倉料位的恒定。失重稱的下料量及下料占比可根據工藝的變化通過通訊從上位機進行給定，下料量也可通過失重稱自帶的操作屏輸入。

1.3 可靠性與先進性

此方案無二次造粒；即保證了原料配方一致性，又保證了混料的均勻性，減少了原料熔融指數(shù)的變化，提高了產品性能，避免了常規(guī)工藝生產中原料經過二次造粒會造成原料的熔融指數(shù)的升高和波動（由原來的3g/10min變?yōu)?～5g/10min）；有效減少二次再造粒帶來的雜質和降解物，提升產品的成膜性和理化性能，提高隔膜膜面質量；節(jié)省二次再造粒的設備和環(huán)節(jié)控制成本，減少了隔膜批次性的質量波動。

如果生產線采用雙螺桿擠出機，此技術方案可能更合適，當然設計中更需注意以下兩個方面：

1）失重稱的精度：由于添加劑和母料的比例差異較大，在非堆積式進料方式下，應采用更高精度的失重稱以保證進料計量的準確性，保證各類粒子能夠按照配方比例連續(xù)、準確進入擠出機，才能提高混料的均勻性，從而提高隔膜品質。

2）雙螺桿擠出機螺桿設計：應采用合理的螺桿設計組合，以保證物料進入的連續(xù)性和混合的均勻性；減少熔體的溫升和熔體回流，保證出口壓力的穩(wěn)定。

在控制好以上兩方面關鍵環(huán)節(jié)后，與單螺桿擠出機相比，采用雙螺桿擠出機可能具有更好的混料效果和均勻一致性，對隔膜質量有著顯著的提高。

2 結束語

帶有失重稱的干法雙向拉伸鋰電池隔膜生產線配方喂料方式的應用，很好的提高了擠出機壓力控制的穩(wěn)定性，使隔膜成孔更加均勻，從而提高了產品的品質，經濟效益也得以提高；但在實際生產中還有許多環(huán)節(jié)和因素對隔膜的質量有著至關重要的影響，需要我們觀察、分析去發(fā)現(xiàn)和調整。做好隔膜就是要做好細節(jié)；不斷改進是提升隔膜質量的關鍵，也是永恒的課題。

[1] 湯人望,李紅祝,王虹,于調娟,李榮年.聚丙烯纖維在電池隔膜材料生產上的應用[J].產業(yè)用紡織品,2007.196:24-26.