鋰電池行業(yè)雙面涂布技術(shù)綜述

常笑叢

（中航鋰電（洛陽）有限公司，河南 洛陽 471003）

鋰離子電池涂布生產(chǎn)中，一般采用單、雙面分開涂布的方式，即先進(jìn)行單面涂布、單面烘干，再進(jìn)行雙面涂布、雙面烘干。此種生產(chǎn)流程屬于直線排列式，所需設(shè)備、廠房及人力成本較大。為解決以上問題，開發(fā)了具有雙面同時(shí)涂布功能的鋰電池涂布機(jī)。雙面涂布機(jī)采用單、雙面同時(shí)涂布的方式，可提高設(shè)備及空間利用率，提升涂布質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，其研究對鋰電池技術(shù)的發(fā)展具有重要推動作用。

1 雙面涂布機(jī)特點(diǎn)［1-3］

與單面涂布機(jī)相比，雙面涂布機(jī)的優(yōu)勢有：單、雙面同時(shí)涂布，設(shè)備利用率及生產(chǎn)效率較高，設(shè)備投入成本低；涂布機(jī)數(shù)量減少，設(shè)備占用面積相應(yīng)減小，廠房投入成本低；設(shè)備數(shù)量的減少也引起操作人員數(shù)量的降低，人力成本隨之降低；烘箱采用懸浮式烘箱，避免了單面涂布機(jī)反面涂布時(shí)正面涂層受背輥擠壓，造成涂層磨損的問題，提高了涂布質(zhì)量；能耗降低。

但是，雙面涂布也存在一些技術(shù)難點(diǎn)：雙面涂布在進(jìn)入烘箱之前兩面涂層均未烘干，此時(shí)，極片的平整度和張力的均勻度較難控制，它直接決定極片正反面重量的一致性及表面質(zhì)量的優(yōu)劣，是需要重點(diǎn)關(guān)注的技術(shù)點(diǎn)；烘箱的結(jié)構(gòu)采用全懸浮式烘箱，方能保證涂層的完好，由于沒有過輥的支撐，基材在烘箱中的位置精度不易控制，對機(jī)頭結(jié)構(gòu)、烘箱風(fēng)嘴結(jié)構(gòu)、熱風(fēng)速度及流向等要求苛刻。

2 雙面涂布機(jī)分類

雙面涂布機(jī)的設(shè)計(jì)依據(jù)其烘箱結(jié)構(gòu)的不同分為雙層烘箱式和單層烘箱式兩種。

2.1 雙層式烘箱

雙層烘箱式雙面涂布機(jī)設(shè)置有上下兩層烘干通道，與傳統(tǒng)的單雙面分開涂布的方式相比，此種涂布機(jī)在平面上節(jié)省空間，但在高度方向上需要空間加倍，同時(shí)由于烘箱數(shù)量不變，對于空間、能耗、涂布質(zhì)量的改善力度有限。

2.2 單層式烘箱

單層烘箱式雙面涂布機(jī)在烘箱同一側(cè)設(shè)置兩個涂布模頭，分別用于正面涂布和反面涂布，相比于傳統(tǒng)涂布機(jī)，此種涂布方式只需增加一套涂布裝置即可，能夠在空間、設(shè)備數(shù)量、人力成本及能耗方面有所降低。同時(shí)，正反面涂層均經(jīng)過烘箱一次，可以消除二次烘烤對正面涂層質(zhì)量的影響。

3 雙層烘箱式雙面涂布機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

黃志剛［1］等研發(fā)了一種雙面涂布機(jī)，包括放卷機(jī)、第一、二面涂布頭、第一、二面烘干箱、擺角糾偏裝置、過輥裝置、工作站臺、浮動張力裝置、放帶機(jī)構(gòu)與爐口過輥組件。其中，第一面烘干箱與第二面烘干箱相平行，第二面烘干箱位于上層，第一面烘干箱位于下層。第一面涂布頭機(jī)構(gòu)位于第一面烘干箱的入口處，第二面涂布頭機(jī)構(gòu)位于第二面烘干箱的出口處。

鐘智帆［2］研發(fā)了一種涂布機(jī)結(jié)構(gòu)，包括由正向和反向涂布頭構(gòu)成的涂布裝置、開卷機(jī)、收卷機(jī)和加熱烘干裝置（圖1）。加熱裝置的結(jié)構(gòu)為兩道獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)的烘箱按上下疊加的方式放置，兩道烘箱之間設(shè)有平臺作為支撐和間隔，開卷機(jī)、收卷機(jī)和涂布裝置分別設(shè)置在上下烘箱的兩端，可以縮小設(shè)備占地面積，提高生產(chǎn)效率。同時(shí)，上下烘箱可以相互保溫，上烘箱可以降低下烘箱向上的溫度損失，下烘箱可以降低上烘箱向下的溫度損失，從而降低加熱功率，減小能耗。

圖1 一種高效節(jié)能組合式雙面涂布機(jī)

鐘學(xué)安［3］等將上下兩層烘干箱進(jìn)行合并，在同一個烘干箱內(nèi)部設(shè)置上下兩層通道。烘干箱設(shè)有上下兩層熱風(fēng)噴口，下層熱風(fēng)噴口進(jìn)口處安裝第一面涂布裝置，上層熱風(fēng)噴口出口處安裝第二面涂布裝置。工作時(shí)，基材經(jīng)過第一面涂布裝置后進(jìn)入下層熱風(fēng)通道烘干，之后經(jīng)過第二面涂布裝置再進(jìn)入上層熱風(fēng)通道，最終實(shí)現(xiàn)雙面涂布。

此項(xiàng)技術(shù)雖然由雙層烘箱更改為單層烘箱，但其單雙面烘干通道獨(dú)立分開，相對雙層烘箱來說，能夠節(jié)省一定的高度，但從本質(zhì)來講，其仍然可以視為雙層烘箱。

總而言之，雙層烘箱式雙面涂布機(jī)不能很好地解決傳統(tǒng)涂布方式帶來的不良影響，其主要作為雙面涂布技術(shù)研發(fā)的跳板，提供解決思路和方向。

4 單層烘箱式雙面涂布機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

4.1 兩個涂布頭均位于機(jī)頭

植松育生等［4-5］發(fā)明一種雙面涂布設(shè)計(jì)，兩個涂布頭均安裝于機(jī)頭位置，第一面與第二面均涂覆涂層后極片再進(jìn)入烘箱，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的雙面涂布。其設(shè)計(jì)分為三種類型。

4.1.1 先第一面涂布，再第二面涂布，從放卷機(jī)構(gòu)至烘箱階段極片張力相同（圖2）。第一、第二涂布頭分別在相對應(yīng)涂覆輥的作用下進(jìn)行涂布，隨后兩面涂覆完畢后的極片進(jìn)入烘箱干燥。其中，第二涂覆輥42由小徑部42a和大徑部42b組成，保證小徑部對應(yīng)涂覆區(qū)，大徑部對應(yīng)留白區(qū)，如此即可保證第一面的涂布質(zhì)量。同時(shí)，涂覆輥上開有空氣送出口43，可以對基材噴出空氣，防止第一面涂層與涂覆輥接觸。

圖2 第一種雙面涂布方式

4.1.2 第一面、第二面同時(shí)涂布，從放卷機(jī)構(gòu)至烘箱階段的張力分為兩個部分（圖3）。機(jī)頭結(jié)構(gòu)依次為夾入輥21、張力傳感器22、兩面涂布頭70、夾入機(jī)構(gòu)80、干燥裝置。此種設(shè)計(jì)方法可以調(diào)整夾入輥21和夾入機(jī)構(gòu)80之間區(qū)域Q1的張力成為適合涂布的張力，而夾入機(jī)構(gòu)80和干燥裝置50之間的區(qū)域Q2亦可以獨(dú)立調(diào)整為適合干燥的張力，過程張力可控，更好地保證了涂布質(zhì)量。

圖3 第二種雙面涂布方式

4.1.3 先第一面涂布，再第二面涂布，從放卷機(jī)構(gòu)至烘箱階段張力分為三個部分（見圖4）。從夾入輥21支吸引輥30之間區(qū)域E1調(diào)整為適合第一面涂布的張力，吸引輥130和夾入機(jī)構(gòu)80之間的區(qū)間E2調(diào)整為適合于第二涂布的張力，夾入機(jī)構(gòu)80和干燥裝置50之間的區(qū)間E3能夠成為適合于干燥的張力。此種方法為第二種設(shè)計(jì)方法的進(jìn)一步優(yōu)化，具有更高的張力控制手段。

圖4 第三種雙面涂布方式

黃春章也提出雙面涂布的方法［6］，先第一面涂布，再第二面涂布，機(jī)頭所有區(qū)域張力相同。

以上雙面涂布方式，由于兩面均有濕涂層，無法使用支撐輥傳送，基材在左右和上下方向很容易發(fā)生位置的偏移和波動，會導(dǎo)致涂層邊緣的不整齊和厚度的不均，不利于涂層的精確涂覆。因此，針對問題研究人員又提出進(jìn)一步的改善措施及解決辦法。

4.2 兩個涂布頭均位于機(jī)頭，同時(shí)保證基材位置的相對固定

4.2.1 優(yōu)化涂布輥，在基材寬度方向施加從中間向兩側(cè)的張力，保證基材平整。中畑政臣等［7-8］對涂布輥進(jìn)行優(yōu)化，使基材在寬度方向受一定的拉伸力，保證涂布過程中基材表面的平整和位置的固定。

對輥?zhàn)咏Y(jié)構(gòu)提出四種優(yōu)化方式和四種可行的涂布方式（圖5）：涂布輥軸體為圓柱形，軸向兩側(cè)的輥徑大于中間的輥徑；涂布輥由四個圓柱形柱體組成，兩側(cè)輥徑大于中間輥徑，柱體間通過等速萬向節(jié)連接；涂布輥為齒輪結(jié)構(gòu)，兩側(cè)的輥徑大于中間的輥徑；涂布輥為旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，由四個圓錐臺狀輥?zhàn)咏M成，兩側(cè)直徑大于中間直徑，兩側(cè)輥?zhàn)油ㄟ^軸體連接，中間輥?zhàn)油ㄟ^等速萬向節(jié)連接。

圖5 不同涂布輥結(jié)構(gòu)可行的涂布方式

這四種結(jié)構(gòu)在涂布過程中兩側(cè)輥?zhàn)拥膱A周速度均大于中間輥?zhàn)拥膱A周速度，在基材寬度方向產(chǎn)生向兩側(cè)拉伸的作用力，保證基材位置的準(zhǔn)確性和表面的平整度。

4.2.2 在兩側(cè)留白區(qū)增加特殊裝置，保證基材平穩(wěn)。渡邊敦［9］也設(shè)計(jì)了一種能夠防止基材顫動的涂布裝置，在基材兩側(cè)留白區(qū)安裝了一對旋轉(zhuǎn)體，該旋轉(zhuǎn)體能夠在基材水平及垂直方向上進(jìn)行距離的調(diào)整，從而較好地控制基材的張力，防止了運(yùn)行過程中基材的抖動及涂層厚度不均的問題。該旋轉(zhuǎn)體可放置在涂布頭前、涂布頭后以及前后均設(shè)置。

4.2.3 優(yōu)化擠壓模頭結(jié)構(gòu)，在保證涂層厚度均勻性的前提下由模頭控制基材張力。黃春章提出了一種特殊結(jié)構(gòu)的正反面涂布模頭［10］，可在沒有支撐輥的前提下保證涂層厚度和基材張力。沿基材前進(jìn)方向在正、反面涂布模頭上設(shè)置上唇、下唇，上唇外端為直角，上唇高度低于下唇0.5-2mm。涂布時(shí)，基材與上唇接觸，不與下唇接觸，此時(shí)上、下唇與基材形成一定的空間，此空間即是有效涂布空間，直接決定涂層的厚度。有效涂布空間的大小可以通過改變正反面涂布模頭與基材的角度進(jìn)行調(diào)整（圖6）。

圖6 特殊結(jié)構(gòu)的模頭

5 結(jié)語

雙面涂布較為成熟的一種方式為正、反面涂布模頭均安裝于機(jī)頭，分別位于基材的上下側(cè)，烘箱采用單層烘箱式。首先正面涂布，正面涂層經(jīng)過過輥及張力輥之后再進(jìn)行反面涂布，正面與反面涂布相差1m左右。雙面涂布技術(shù)目前對于提高產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)能及降低成本有很大的優(yōu)勢。

［1］黃志剛.一種雙面涂布機(jī)：中國，201959912U［P］.

［2］鐘智帆.高效節(jié)能組合式電池極片雙面涂布機(jī)：中國，102698933A［P］.

［3］鐘學(xué)安.電池極片雙面涂布機(jī)：中國，201108882Y［P］.

［4］植松育生.雙面涂敷裝置以及雙面涂敷方法：中國，102430498A［P］.

［5］Ikuo UEMATSU,Yokohama-shi（JP）.Double-sided coa ting apparatus and double-sided coating method:US2012/0076933A1［P］.

［6］黃春章..一種擠壓式雙面涂布機(jī)：中國，103230861A［P］.

［7］中畑政臣，植松育生.雙面涂布裝置：中國，CN102632017B［P］.

［8］Masaomi Nakahata,Kamakura-shi.Double-sided coating apparatus：US2012/0204787A1［P］.

［9］渡邊敦.雙面涂布基材用輸送裝置：中國，CN102470389A［P］.

［10］黃春章.一種鋰電池材料雙面涂布機(jī)：中國，104028423A［P］.

［11］關(guān)敬黨，謝禮，王光巖.雙面涂布機(jī)構(gòu)：中國，CN204503472U［P］.

［12］郭炳焜，徐徽，王先友，等.鋰離子電池［M］.長沙：中南大學(xué)出版社，2002.

［13］吳宇平，戴曉兵，馬軍旗，等.鋰離子電池-應(yīng)用與實(shí)踐［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.