鋰離子電池極片制造一般工藝流程為：活性物質，粘結劑和導電劑等混合制備成漿料，然后涂敷在銅或鋁集流體兩面，經干燥后去除溶劑形成極片，極片顆粒涂層經過壓實致密化，再裁切或分條。輥壓是鋰電池極片最常用的壓實工藝，相對于其他工藝過程，輥壓對極片孔洞結構的改變巨大，而且也會影響導電劑的分布狀態，從而影響電池的電化學性能。為了獲得最優化的孔洞結構，充分認識和理解輥壓壓實工藝過程是十分重要的。

輥壓工藝基本過程

工業生產上，鋰電池極片一般采用對輥機連續輥壓壓實，如圖1所示，在此過程中，兩面涂敷顆粒涂層的極片被送入兩輥的間隙中，在軋輥線載荷作用下涂層被壓實，從輥縫出來后，極片會發生彈性回彈導致厚度增加。因此，輥縫大小和軋制載荷是兩個重要的參數，一般地，輥縫要小于要求的極片最終厚度，或載荷作用能使涂層被壓實。另外，輥壓速度的大小直接決定載荷作用在極片上的保持時間，也會影響極片的回彈，最終影響極片的涂層密度和孔隙率。

輥壓過程極片微觀結構的演變

在實際的輥壓工藝中，隨著軋制壓力變化，極片涂層壓實密度具有一定規律，圖2為極片涂層密度與軋制壓力的關系。

曲線I區域，為第一階段。此階段壓力相對較小，涂層內顆粒產生位移，孔隙被填充，壓力稍有增加時，極片的密度快速增加，極片的相對密度變化有規律。

曲線II區域，為第二階段。此階段壓力繼續增加，極片經壓縮后，密度已增高。孔隙已被填充，漿料顆粒產生了更大的壓實阻力。壓力再繼續提高，但極片密度增加較少。因此時漿料顆粒間的位移已經減少，顆粒大量的變形還沒開始。

曲線III區域，為第三階段。當壓力超過一定值后，壓力增加極片密度也會繼續增加，隨后又逐漸平緩下來。這是因為當壓力超過漿料顆粒的臨界壓力時，顆粒開始變形、破碎，顆粒內部的孔隙也被填充，使極片密度繼續增大。但當壓力繼續增加，極片密度的變化逐漸平緩。

實際極片軋制過程的情況十分復雜。在第一階段，粉末體的致密化雖然以漿料顆粒的位移為主，但同時也有少量的變形。在第三階段，致密化以漿料顆粒的變形為主，同時也會存在少量位移。

另外，由于正負極材料本身性質差異，正負極極片輥壓過程微觀結構變化也不相同。正極顆粒材料硬度大，不容易產生變形，而石墨負極硬度小，壓實過程會發生塑性變形，如圖3所示。中等程度的壓實會減輕石墨的塑性變形量，鋰離子嵌入和脫出阻力更小，電池循環穩定性更好。而載荷過大可能導致顆粒破碎。正極極片中由于活性物質導電性很差，與負極相比，輥壓過程引起導電劑分布變化對電子傳導影響更明顯。

壓實密度對電化學性能的影響

在電池極片中，電子傳導主要通過，而鋰離子傳導主要通過多孔結構中的電解液相進行，電解液填充在多孔電極的孔隙中，鋰離子在孔隙內通過電解液傳導，鋰離子的傳導特性與孔隙率密切相關。孔隙率越大，相當于電解液相體積分數越高，鋰離子有效電導率越大。而電子通過活物質或碳膠相等固相傳導，固相的體積分數，迂曲度又直接決定電子有效電導率。孔隙率和固相的體積分數是相互矛盾的，孔隙率大必然導致固相體積分數降低，因此，鋰離子和電子的有效傳導特性也是相互矛盾的。

一方面，壓實極片改善電極中顆粒在之間的接觸，以及電極涂層和集流體之間的接觸面積，降低不可逆容量損失接觸內阻和交流阻抗。另一方面，壓實太高，孔隙率損失，孔隙的迂曲度增加，顆粒發生取向，或活物質顆粒表面粘合劑被擠壓，限制鋰鹽的擴散和離嵌入/脫嵌，鋰離子擴散阻力增加，電池倍率性能下降。

輥壓工藝參數的影響規律

前面提到輥壓工藝直接決定極片的多孔結構，而線載荷、速度等輥壓工藝參數對極片微觀結構到底有什么樣的影響呢？德國布倫瑞克工業大學研究人員ChrisMeyer等做了相關的研究。

他們研究發現，鋰離子電池極片的壓實過程也遵循粉末冶金領域的指數公式（4），這揭示了涂層密度或孔隙率與壓實載荷之間的關系。

研究者對表1中所示NCM三元正極極片和石墨負極極片進行輥壓實驗，研究輥壓工藝參數對極片涂層密度和孔隙率的影響規律。根據材料物理真密度計算，當孔隙率為0%時，正極涂層密度應該為4.3g/cc，負極涂層密度應該為2.2g/cc。而實際上根據實驗數據擬合得到了參數（見表2）表明正極涂層達到的最大密度約3.2g/cc，負極約為1.7g/cc。

圖4是輥壓線載荷和正負極極片涂層密度的關系，不同的載荷和輥壓線速度條件下采集實驗數據點，然后采用指數方程（4）對數據進行擬合，得到相應的方程擬合參數，列入表2中。表示為涂層的壓實阻抗，較低值表明隨著線載荷增加，涂層密度能夠較快達到最大值，而較高的阻抗值表明涂層密度較慢達到最大值。從圖4和表2中可見，輥壓速度對涂層密度影響較小，較小的速度導致涂層密度略微增加。另外，正負極極片的壓實過程差異大，正極極片壓實阻抗大約為負極的一倍多，這是由于正負極材料特性差異引起的，正極顆粒硬度大，壓實阻抗大，而負極顆粒硬度小，壓實阻抗小，更容易輥壓壓實。

此外，從孔隙結構角度分析輥壓工藝的影響。電池極片涂層的孔隙主要包含兩類：顆粒材料內部的孔隙，尺寸為納米-亞微米級；顆粒之間的孔隙，尺寸為微米級。圖5是不同輥壓條件下正負極極片中孔徑分布情況，首先很明顯可以看到極片壓實可以減小孔徑尺寸并降低孔隙含量。隨著壓實密度增加，與正極相比，負極孔徑尺寸更明顯降低，這是由于負極涂層壓實阻抗低更容易被輥壓壓實。同時數據表明輥壓速度對孔隙結構的較小。

從涂層的孔隙率角度考慮，輥壓線載荷與涂層孔隙率之間也可以通過指數方程擬合得到規律，圖6是線載荷與正負極極片涂層孔隙率的關系，不同的線載荷作用下對正負極極片進行輥壓，通過物理真密度計算孔隙率、同時也通過實驗測量涂層的孔隙率，得到的數據點作圖并進行線性擬合，結果如圖6所示。

輥壓工藝對鋰電池極片微觀結構影響巨大，特別是對多孔結構，因此，輥壓工藝強烈影響電池性能。總之，在鋰電池技術研究與開發中，我們同樣需要特別關注制造工藝。