涂布工藝

極片漿料涂布工藝路線的選擇

1.1　涂布方法的選擇　　

成功解決極片漿料涂布的關(guān)鍵之一是選擇合適的涂布方法。大約有20多種涂布方法可以用于將液體料液涂布于支持體上，而每一種技術(shù)有許多專門的配置，所以有許多種涂布型式可供選擇?！　?/p>

在研制鋰離子電池實驗室研究階段，有用刮棒、刮刀或擠壓等自制簡單的涂布實驗裝置進行極片涂布試驗，只能涂布出少量樣品供實驗研究，效果并不太理想，并存在各種各樣的問題?！　?/p>

一般選擇涂布方法需要從下面幾個方面考慮，包括：涂布的層數(shù)，濕涂層的厚度，涂布液的流變特性，要求的涂布精度，涂布支持體或基材，涂布的速度等。　　

如何選擇適合極片漿料的涂布方法?除上述因素外，還必須結(jié)合極片涂布的具體情況和特點。鋰離子電池極片涂布特點是：①雙面單層涂布；②漿料濕涂層較厚(100～300μm)；③漿料為非牛頓型高粘度流體；④極片涂布精度要求高，和膠片涂布精度相近；⑤涂布支持體為厚度10～20μm的鋁箔和銅箔；⑥和膠片涂布速度相比，極片涂布速度不高?！　?/p>

我們首先從涂布層數(shù)來考慮選擇涂布的技術(shù)路線。極片需要在金屬箔兩面都涂漿料。目前有同時在支持體兩面進行涂布的技術(shù)，但如果選用同時雙面涂布方法，就會使涂布后的干燥和極片傳送設(shè)備變成極為復(fù)雜和難于操作。因此涂布技術(shù)路線決定選用單層涂布，另一面在干燥后再進行一次涂布?？紤]到極片涂布屬于厚涂層涂布。刮棒、刮刀和氣刀涂布只適用于較薄涂層的涂布，不適用于極片漿料涂布。在余下的幾種涂布方法中，浸涂最為簡單，但其涂布厚度受涂布漿料粘度和涂布速度影響，難于進行高精度涂布。　　綜合考慮極片漿料涂布的各項特殊要求，擠壓涂布或輥涂可供選擇.1.2、條縫擠壓涂布及其涂布窗口　　

擠壓涂布技術(shù)是較為先進的技術(shù)，可以用于較高粘度流體涂布，能獲得較高精度的涂層。　　

采用條縫擠壓涂布，如何獲得均勻的涂層?必須使擠壓嘴的設(shè)計及操作參數(shù)在一個合適的范圍內(nèi)，也就是進入在涂布技術(shù)中稱為“涂布窗口”的臨界條件范圍內(nèi)，才能進行正常涂布?！　?/p>

擠壓嘴的設(shè)計對涂布精度有極為重要的影響。因此設(shè)計時需要有涂布漿料流變特性的詳細數(shù)據(jù)。而一旦按提供的流變數(shù)據(jù)設(shè)計加工出的擠壓嘴，在涂布漿料流變性質(zhì)有較大改變時，就有可能影響涂布精度，擠壓涂布設(shè)備比較復(fù)雜，運行操作需要專門的技術(shù)。

1.3、輥涂工藝的涂布窗口　　輥涂是比較成熟的涂布工藝，若有高精度涂布輥和精密軸承，有可能得到均勻度較好的涂層。輥涂可以應(yīng)用于極片漿料的涂布?！　?/p>

輥涂有多種型式，按輥的轉(zhuǎn)動方向區(qū)分就有順轉(zhuǎn)輥和逆轉(zhuǎn)輥涂布兩種。此外還有配置3輥、4輥等多達10多種輥涂型式?！　?/p>

究竟用哪一種輥涂型式比較好呢?這要根據(jù)各種漿料的流變性質(zhì)進行選擇。也就是所設(shè)計的輥涂型式，結(jié)構(gòu)尺寸，操作條件，涂液的物理性質(zhì)等各種條件必須在一個合理的范圍內(nèi)，也就是操作條件進入涂布窗口，才能涂布出無弊病的涂層。

2　極片涂布中的關(guān)鍵技術(shù)

在所有涂布產(chǎn)品中膠片所要求的涂布精度是最高的一種，因此膠片涂布中的許多技術(shù)是解決極片涂布的基礎(chǔ)。但極片涂布所特有的要求必須有特殊的技術(shù)才能解決。

2.1　高粘度極片漿料的涂布　　極片漿料粘度極高，超出一般涂布液的粘度，而且所要求的涂量大，用現(xiàn)有常規(guī)涂布方法無法進行均勻涂布。我們比較分析了各種涂布方法，依據(jù)其流動機理，結(jié)合極片漿料的流變特性和涂布要求，設(shè)計了各種實驗方案進行驗證，找到了幾種可用于極片漿料的涂布方法，成功地解決了高粘度極片漿料連續(xù)穩(wěn)定、均勻涂布難題。

2.2　極片定長分段和雙面疊合涂布技術(shù)　　無論是膠片涂布，還是其他涂布產(chǎn)品，絕大多數(shù)都是在片幅上進行連續(xù)涂布。而鋰離子電池極片是分段涂布，生產(chǎn)不同型號鋰離子電池，所需要的每段極片長度也是不同的。如果采用連續(xù)涂布，再進行定長分切生產(chǎn)極片，在組裝電池時需要在每段極片一端刮除漿料涂層，露出金屬箔片。用連續(xù)涂布定長分切的工藝路線，效率低，不能滿足最終進行規(guī)模生產(chǎn)的需要。因此我們考慮采用定長分段涂布方法，在涂布時按電池規(guī)格需要的涂布及空白長度進行分段涂布。采用單純的機械裝置很難實現(xiàn)不同電池規(guī)格所需要長度分段涂布。我們在涂布頭的設(shè)計中采用計算機技術(shù)，將極片涂布頭設(shè)計成光、機、電一體化智能化控制的涂布裝置。涂布前將操作參數(shù)用鍵盤輸入計算機，在涂布過程中由計算機控制，自動進行定長分段和雙面疊合涂布。因此涂布機可以任意設(shè)定涂布和空白長度進行分段涂布，能滿足各種型號鋰離子電池極片涂布的需要。

2.3　極片漿料厚涂層高效干燥技術(shù)　　極片漿料涂層比較厚，涂布量大，干燥負荷大。采用普通熱風(fēng)對流干燥法或烘缸熱傳導(dǎo)干燥法等干燥效率低。我們將膠片干燥中的高效干燥技術(shù)應(yīng)用于極片干燥器設(shè)計，采用優(yōu)化設(shè)計的熱風(fēng)沖擊干燥技術(shù)，提高了干燥效率，可以進行均勻快速干燥，干燥后的涂層無外干內(nèi)濕或表面皸裂等弊病。

2.4　極片涂布生產(chǎn)流水線基片(極片)傳輸技術(shù)　　在極片涂布生產(chǎn)流水線中從放卷到收卷，中間包含有涂布、干燥等許多環(huán)節(jié)，極片(基片)有多個傳動點拖動。這和膠片涂布干燥生產(chǎn)流水線是相似的。我們成功地將膠片涂布機傳輸技術(shù)應(yīng)用于極片涂布，又針對基片是極薄的鋁箔銅箔，剛性差，易于撕裂和產(chǎn)生折皺等特點，①在設(shè)計中采取特殊技術(shù)裝置，在涂布區(qū)使極片保持平展，嚴格控制片路張力梯度，使整個片路張力都處于安全極限內(nèi)。②在涂布流水線的傳動設(shè)計中，我們采用了直流電機智能調(diào)速控制技術(shù)，使涂布點片路速度保持穩(wěn)定，從而確保了涂布的縱向均勻度。在涂布機傳輸片路設(shè)計中，在涂布、收卷等關(guān)鍵部位，都設(shè)計有自動糾偏裝置，在涂布時使?jié){料準確地涂布于基片上，兩邊留有均勻的片邊，在極片收卷時能得到邊緣整齊的片卷，為極片生產(chǎn)的下一道工序創(chuàng)造了有利條件。

3　極片涂布工藝流程

極片涂布的一般工藝流程如下：放卷→接片→拉片→張力控制→自動糾偏→涂布→干燥→自動糾偏→張力控制→自動糾偏→收卷　　

涂布基片(金屬箔)由放卷裝置放出供入涂布機。基片的首尾在接片臺連接成連續(xù)帶后由拉片裝置送入張力調(diào)整裝置和自動糾偏裝置，經(jīng)過調(diào)整片路張力和片路位置后進入涂布裝置。極片漿料在涂布裝置按預(yù)定涂布量和空白長度分段進行涂布。在雙面涂布時，自動跟蹤正面涂布和空白長度進行涂布。涂布后的濕極片送入干燥道進行干燥，干燥溫度根據(jù)涂布速度和涂布厚度設(shè)定。干燥后的極片經(jīng)張力調(diào)整和自動糾偏后進行收卷，供下一步工序進行加工。

4　設(shè)備安裝調(diào)試及涂布情況

研制的設(shè)備由機械設(shè)備，電氣控制，干燥通風(fēng)等系統(tǒng)組成，安裝后先后進行了機械試車，機電聯(lián)試和聯(lián)動試車，均達到設(shè)計和使用要求。按鋰離子電池的技術(shù)要求和設(shè)計技術(shù)指標投料涂布。　　

涂布條件：涂布基片厚度為20μm的鋁箔，涂布基片寬度為350mm，涂布速度5m/min?！　≡谏鲜鰲l件下用漿料進行單面定長涂布，雙面疊合涂布，同時進行干燥。整條生產(chǎn)線運行平穩(wěn)，涂布干燥均勻。

5　樣品測試結(jié)果

5.1　涂布均勻度　　涂布量相對偏差范圍為2.22%～-1.85%，絕對誤差為4.07%。

6 拉漿正負極極片出現(xiàn)麻點顆粒現(xiàn)象,特別表現(xiàn)在負極拉漿,在涂布那刻表現(xiàn)最明顯,到出烤箱后比較難觀察到,但是取了片對輥后就明顯的顆粒.

原因:(本現(xiàn)象排除箔材氧化及外觀不良的可能)

（1）漿料放置時間過久,一般超出12H以上問題會比較嚴重,請關(guān)注是否有此問題,如果有請控制時間；

（2）漿料粘度過低(放久了粘度也會低),建議控制粘度在2500mpa.s以上；

（3）漿料存貯溫度過高,我遇到過一次,溫度>35度時就出現(xiàn)麻點，建議控制溫度在25度左右；

（4）無導(dǎo)電碳的配方很容易出現(xiàn)此問題,暫時無很好的辦法,建議參考以下三條

（5）攪拌轉(zhuǎn)速度過快,可以適當根據(jù)你們的工藝降些轉(zhuǎn)速,只要能攪拌均勻,分散好.涂布時沒有堵網(wǎng)現(xiàn)象就不是問題.中轉(zhuǎn)暫存罐的轉(zhuǎn)速也要低些；

（6）對于已出現(xiàn)麻點的漿料建議處理如下A、攪拌幾罐粘度高的新鮮漿料混合使用掉B、在涂第二面時用無塵紙在第二面基材上稍微打些水(此方法很容易造成拖尾/尺寸異常等問題,不好掌握,不太建議使用)

（7）正極很少出現(xiàn)類是現(xiàn)象.負極倒是經(jīng)常有這種現(xiàn)象,顆?，F(xiàn)象.把漿料退回抽真空攪拌后會有改善,如果是正極片出現(xiàn)麻點現(xiàn)象就要考慮烘烤的溫度了,可以降溫減速會有改善。

作者：靳美娜, 劉純祥, 李朝, 劉琴, 關(guān)玉明

原文刊登于《機械科學(xué)與技術(shù)》2018年第37卷4期

摘要：為提高鋰電池漿料制備的效率與質(zhì)量，在現(xiàn)有工藝方案的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種自動化程度較高的從鋰離子動力電池原材料預(yù)處理工藝到涂布工藝的真空連續(xù)制漿工藝方案。并運用幾何加權(quán)AHP法對應(yīng)用比較廣泛的三種制漿工藝方案與設(shè)計的真空連續(xù)制漿工藝方案進行方案評價。結(jié)果表明：影響漿料質(zhì)量的關(guān)鍵因素分別是制漿系統(tǒng)自動化程度、混合分散工藝以及原材料預(yù)處理工藝；該工藝方案與現(xiàn)有的工藝方案相比具有一定的優(yōu)勢。以幾何加權(quán)AHP法的結(jié)論為依據(jù)，對真空連續(xù)制漿關(guān)鍵設(shè)備進行了設(shè)計研究，最終得出了真空連續(xù)漿料制備系統(tǒng)原理圖。