О прокатных прессах, материалах и одном частом заблуждении 

Когда говорят ?прокатный пресс?, многие сразу представляют себе гигантские станы на металлургических комбинатах. Это, конечно, классика, но в нашей сфере — разработка лабораторного и опытного оборудования для новых материалов, особенно для литиевых батарей — это понятие сужается до чего-то гораздо более камерного, но от этого не менее капризного и важного. Здесь речь почти всегда о лабораторных прокатных прессах, и их задача — не тонны металла, а микронные толщины электродной пасты на фольге. И главное заблуждение в том, что многие думают, будто это просто два вала, которые сдавливают что попало. На деле, от равномерности давления, теплового режима и чистоты поверхности этих валов зависит, будет ли у вас в итоге батарея с однородными характеристиками или брак.

От лаборатории к производству: где кроется разрыв

Мы в ООО Гуандун Сяовэй Нью Энерджи Технолоджи часто сталкиваемся с запросами от исследовательских центров. Люди приходят с материалами — катодными или анодными составами — и им нужно получить образец электродной ленты для тестов. Они используют наш лабораторный прокатный пресс, часто с регулируемым зазором и подогревом. Получают красивые, ровные полосы, данные по удельной емкости прекрасные. А потом пытаются масштабировать процесс на пилотную линию, и всё летит в тартарары. Почему?

Потому что в лаборатории оператор десять минут выставляет зазор, прокатывает метр ленты, контролируя каждый сантиметр. В промышленности лента бежит со скоростью несколько метров в минуту, и здесь в игру вступает динамика: инерция валов, неравномерный прогрев по длине, упругая деформация станин под нагрузкой. Лабораторный пресс не имитирует этого. Он дает лишь первую, базовую точку отсчета — ?материал в принципе можно прокатать?. А как это делать стабильно — вопрос к другому оборудованию.

Отсюда и наша философия в разработке: мы не просто делаем ?маленький заводской станок?. Мы создаем инструмент для поиска параметров. Поэтому, к примеру, в некоторых наших моделях акцент сделан на точный контроль температуры вала не просто ?в среднем?, а в нескольких точках по длине, с выводом данных. Чтобы исследователь видел, где может возникнуть перекос.

Дьявол в деталях: поверхность валков и проблема адгезии

Одна из самых болезненных тем — отделение ленты от валка. Идеально гладкий, полированный вал — это часто плохо. Паста может налипать, обматываться, рвать тонкую фольгу-основу. Шероховатость, определенная микротекстура — необходимость. Но какая именно? Мы проводили испытания с разными видами обработки поверхности валков для нашего пресса, представленного на xiaoweitop.ru. Пробовали хромирование с зеркальной полировкой, матовое хромирование, пескоструйную обработку.

Оказалось, что для большинства анодных составов на основе графита лучше работает матовая поверхность. Она создает микроскопические воздушные каналы, снижая эффект присасывания. А вот для некоторых катодных смесей, с их специфической липкостью, иногда нужен компромисс — минимальная шероховатость, но с очень высокой твердостью поверхности, чтобы чистить её было легко. Иначе налипшие остатки через несколько прогонов начинают влиять на толщину нового слоя. Это та эмпирика, которую в каталогах не напишешь, понимание приходит после десятков, если не сотен, экспериментов с разными составами.

И да, чистка. Это отдельный ритуал. Обычный ацетон или N-метилпирролидон (NMP) — растворитель для катодных смесей. Но если им чистить вал с полимерными уплотнениями, можно эти уплотнения убить. Поэтому конструкция узла, доступность для быстрой и безопасной очистки — это не ?удобство?, это критически важная опция, влияющая на воспроизводимость результатов. Если после каждого состава ты тратишь час на чистку и боишься повредить поверхность, о какой эффективности исследований может идти речь?

Тепловой режим: не просто ?включить подогрев?

Подогрев валков — стандартная опция. Казалось бы, что сложного: выставил 80°C и катай. Но здесь есть нюанс, о котором часто забывают. Прокатываемая паста — это не металл, она плохо проводит тепло. Контакт с горячим валком — доли секунды. За это время должен успеть прогреться не только связующий полимер, делающий массу более пластичной, но и вся толщина слоя до фольги.

На практике это означает, что установленная температура на контроллере и реальная температура в зоне контакта — разные вещи. Особенно если прокатка идет медленно, в лабораторном режиме. Вал успевает остыть в точке контакта? Или наоборот, из-за постоянной работы и внутреннего трения в материале перегревается? Мы настраивали систему ПИД-регулирования на наших прессах так, чтобы учитывать не просто температуру тела валка, а динамику её изменения при начале процесса прокатки. Это требует более сложных датчиков и алгоритмов, но без этого стабильность параметров — лотерея.

Был случай с одним заказчиком, который жаловался на неравномерную плотность электродов. Оказалось, он включал подогрев за пять минут до начала работы, прокатывал первый метр — всё хорошо. Потом делал паузу, чтобы замерить толщину, и продолжал. А вал за эту паузу успевал локально перегреться, так как ТЭНы продолжали греть, а теплоотвода не было. Первые сантиметры после паузы шли с другим калибром. Решение — введение режима ?пауза? с автоматическим сбросом температуры до дежурного уровня. Мелочь? Для итоговой ячейки — нет.

От прокатки к характеристикам ячейки: неочевидные связи

Конечная цель всего этого — параметры батареи. И здесь влияние прокатного пресса косвенное, но фатальное. Допустим, прокатали с переменным давлением. Где-то толщина 90 микрон, где-то — 95. В сухом помещении это может быть не так заметно. Но после пропитки электролитом в этих местах будет разная плотность тока, разная скорость литирования. В одном месте анод может начать быстрее деградировать, в другом — образовывать дендриты. И когда на цикле 300-м ёмкость упала, искать причину будут в химии состава, в чистоте сырья, а корень может быть в давлении валов, которое плавало из-за износа подшипникового узла на лабораторном прессе полгода назад.

Поэтому наша рекомендация, которую мы всегда озвучиваем клиентам, просматривающим каталог на xiaoweitop.ru: вести не просто журнал с итоговой толщиной. Нужно фиксировать все параметры: установленный зазор, фактическое давление (если есть манометр), температуру каждого валка до и после серии, даже влажность в помещении. Только так можно выстроить причинно-следственную цепь от процесса прокатки до поведения готового изделия. Оборудование для исследований и разработок — это не черный ящик, это инструмент сбора данных о процессе.

Именно для этого некоторые наши комплектации включают не просто аналоговый манометр, а датчик давления с выходом на регистратор данных. И не для ?галочки?, а чтобы кривая давления во время прохождения ленты была ровной. Любой пик или провал — это сигнал. Либо в материале есть комок, либо начались проблемы в механике.

Будущее: зачем прессу ?мозги??

Сейчас тренд — это интеграция. Лабораторный прокатный пресс перестает быть изолированным аппаратом. Его логично связать с дозатором пасты, который наносит состав на фольгу, и с измерителем толщины on-line. Чтобы система в реальном времени корректировала зазор, компенсируя отклонения. Пока это скорее уровень пилотных линий, но запросы от исследовательских институтов идут уже сейчас. Им нужно не просто прокатать, а смоделировать будущий непрерывный процесс в лабораторных условиях.

Наша задача, как разработчиков экспериментального оборудования для литиевых батарей, — предугадать этот шаг. Не делать ?умный? пресс с кучей ненужных кнопок, а создать модульную платформу. К которой можно при необходимости добавить тот же лазерный толщиномер и замкнуть контур управления. При этом базовая механика — станина, привод, валы — должна быть с колоссальным запасом прочности и точности. Потому что ?мозги? могут скорректировать мелкую погрешность, но не исправят биение вала в 20 микрон.

В итоге, возвращаясь к началу. Прокатный пресс в нашей нише — это не просто устройство для уменьшения толщины. Это ключевой узел, формирующий микроструктуру электрода. И его выбор, настройка и понимание его работы — это половина успеха в создании нового материала. Остальное — уже химия и сборка. Но без правильно прокатанного электрода даже самый лучший состав не раскроет свой потенциал. Проверено на практике, не раз.