高速、高精智能化鋰電池涂布機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究*

張紅梅，盧 亞，明五一，周曉雄

0 引言

大容量動(dòng)力蓄電池逐漸成為動(dòng)力電源的主體，其中作為綠色蓄電池的動(dòng)力鋰電池，以其能量高、工作電壓高、工作溫度范圍寬、體積小、質(zhì)量輕、貯存壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，且具有不會(huì)造成二次污染、不具有記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，已成為新能源儲(chǔ)能、新能源汽車動(dòng)力電源、航空航天市場(chǎng)應(yīng)用的首選[1-3]。

但鋰電池生產(chǎn)裝備仍是制約國(guó)內(nèi)當(dāng)前鋰電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要瓶頸，如攪拌、涂布、卷繞、注液作為鋰電池制造的關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)，對(duì)裝備的依賴性非常高[4-7]。國(guó)外高端裝備雖然生產(chǎn)效率高，品質(zhì)優(yōu)良，但價(jià)格昂貴，且難以適應(yīng)國(guó)內(nèi)的原材料及生產(chǎn)環(huán)境；國(guó)內(nèi)裝備在自動(dòng)化程度、生產(chǎn)速度、生產(chǎn)電池的品質(zhì)及一致性等方面與國(guó)外高端裝備相比還存在較大差距；整個(gè)鋰電池生產(chǎn)行業(yè)亟需適應(yīng)國(guó)內(nèi)需求的高速高精、智能化生產(chǎn)程度高的攪拌、涂布、卷繞、注液等關(guān)鍵設(shè)備。

此外，國(guó)務(wù)院發(fā)布的《關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》（國(guó)發(fā)〔2010〕32號(hào)）指出：“十二五”期間我國(guó)將重點(diǎn)培育和發(fā)展新能源、新能源汽車、高端裝備等七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，到2015年，戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)增加值占國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的比重力爭(zhēng)達(dá)到8%左右；到2020年，這一比重將力爭(zhēng)達(dá)到15%左右；再經(jīng)過10年左右的努力，戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的整體創(chuàng)新能力和產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平達(dá)到世界先進(jìn)水平，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展提供強(qiáng)有力的支撐。

1 鋰電池涂布機(jī)的主要工藝流程

鋰電池涂布機(jī)主要是用來將陰陽極鋰電池漿料均勻地涂覆在厚度為6～30μm的銅箔或鋁箔上面，并進(jìn)行烘干處理，烘干后極片的厚度約為0.1～0.2mm。其工藝流程為：安放在放卷裝置上的極片基材經(jīng)自動(dòng)糾偏后進(jìn)入浮輥張力系統(tǒng)，調(diào)整放卷張力后進(jìn)入涂布頭，極片漿料按涂布系統(tǒng)的設(shè)定程序進(jìn)行涂布。涂布后的濕極片進(jìn)入烘箱由熱風(fēng)進(jìn)行干燥。干燥后的極片經(jīng)張力系統(tǒng)調(diào)整張力，同時(shí)控制收卷速度，使它與涂布速度同步。極片由糾偏系統(tǒng)自動(dòng)糾偏使其保持在中心位置，由收卷裝置進(jìn)行收卷。具體見圖1。

圖1 鋰電池涂布機(jī)主要工藝流程及其示意圖

2 鋰電池涂布機(jī)的主要研究?jī)?nèi)容

圖2 鋰電池涂布機(jī)主要研究?jī)?nèi)容

從圖1可見，鋰電池涂布機(jī)主要包括放卷、擠壓涂膜、極片烘干收卷幾個(gè)過程，輔以張力糾偏、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等。放卷是將待涂布卷料基材展開；擠壓涂膜是將陰陽極漿料通過泵送系統(tǒng)由周轉(zhuǎn)罐，通過擠壓模頭，與涂布背輥配合將漿料均勻快速涂布到基材銅鋁箔上的過程；極片烘干是將涂布有濕的陰陽極漿料的極片通過熱風(fēng)烘干的過程；收卷是將烘干后的極片整齊的收成卷料，待后面的工藝使用；張力是用來控制極片的張緊程度，糾偏是用來控制極片的對(duì)齊程度；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)則包括膜厚監(jiān)測(cè)、張力監(jiān)測(cè)等，以保證整個(gè)涂布過程的順利進(jìn)行。要實(shí)現(xiàn)動(dòng)力鋰電池高精度高均勻性下的高效涂布，即是要改進(jìn)涂布過程中的上述幾個(gè)方面。

3 鋰電池涂布機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 擠壓涂布技術(shù)

本裝備中的擠壓涂布系統(tǒng)主要包括漿料泵送系統(tǒng)、擠壓模頭及控制系統(tǒng)，具體見圖3所示。

圖3 擠壓涂布系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

擠壓涂布過程中的關(guān)鍵在于擠壓模頭的設(shè)計(jì)，而模頭的設(shè)計(jì)必須依據(jù)漿料的流變特性，故本裝備研發(fā)過程中首先根據(jù)高粘度高固含量鋰電池電極材料的特性，獲取漿料的流變曲線。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)測(cè)得的漿料的流變曲線和粘度特性，進(jìn)行擠壓模頭腔體的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行數(shù)值模擬和仿真分析，如圖4、圖5所示。根據(jù)仿真分析的結(jié)果，得到最佳的擠壓模頭型腔形狀，從而使得漿料在模頭唇口處的壓力、流速、流量等達(dá)到均勻穩(wěn)定。

圖4 設(shè)計(jì)腔體形狀圖

圖5 設(shè)計(jì)腔體的應(yīng)力分析圖

3.2 快速烘干技術(shù)

在涂布過程中，烘干快慢直接決定了涂布的速度；烘干的質(zhì)量直接決定了電池的性能，所以一種高效又高質(zhì)的烘干技術(shù)非常重要，本項(xiàng)目從以下兩個(gè)方面來解決上述問題，從而達(dá)到又快又好的烘干極片。

（1）懸浮式烘干技術(shù)

前面4節(jié)烘箱主傳動(dòng)方式，伺服電機(jī)控制，導(dǎo)輥呈弧形分布，總落差400 mm以上；導(dǎo)輥表面鍍硬鉻，直徑?60 mm；后面的烘箱全部采用懸浮烘箱。現(xiàn)在的其懸浮式風(fēng)嘴機(jī)構(gòu)如圖6所示，左邊的為常用風(fēng)嘴，右邊為改進(jìn)型風(fēng)嘴設(shè)計(jì)。

圖6 懸浮式風(fēng)嘴機(jī)構(gòu)示意圖

正常工作溫度控制、超溫監(jiān)測(cè)報(bào)警保護(hù)控制，超溫時(shí)將出現(xiàn)聲光報(bào)警，并切斷加熱主電源；各段完全獨(dú)立控制；單節(jié)溫差：≤5℃；溫控表顯示精度0.1℃；高溫過載保護(hù)。上、下吹風(fēng)，上下風(fēng)量通過閥門分別控制，單節(jié)總風(fēng)量由變頻電機(jī)控制；上下風(fēng)室共用加熱體；上下腔體壓力監(jiān)測(cè)，腔體內(nèi)外壓差監(jiān)測(cè)。

（2）基于空氣動(dòng)力學(xué)的風(fēng)道設(shè)計(jì)

烘箱內(nèi)的溫度的傳導(dǎo)主要以空氣為介質(zhì)，將溫度均勻地傳遞到烘箱內(nèi)的各個(gè)區(qū)域，為了保證極片烘干時(shí)的效果，避免外干內(nèi)濕、皸裂等現(xiàn)象，需要保證溫度在整個(gè)烘箱內(nèi)的溫度分布合理。故此，本裝備將基于空氣動(dòng)力學(xué)來從理論上對(duì)烘箱的設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)，包括風(fēng)嘴的位置、開口的大小、風(fēng)速的大小等方面，其干燥系統(tǒng)圖如圖7所示。

圖7 干燥系統(tǒng)示意圖

3.3 實(shí)時(shí)張力控制與糾偏技術(shù)

在涂布的過程中，主要是將漿料涂覆在基材上面，基材是厚度為6～30μm的銅箔或鋁箔卷料，為保持涂布的均勻，且干燥快速，需要利用收放卷機(jī)構(gòu)及張力和糾偏系統(tǒng)來控制卷料基材的運(yùn)動(dòng)速度從而保證涂布質(zhì)量?？偟膩碚f張力和糾偏系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分：一是放卷部分的張力和糾偏控制，本裝備采用閉環(huán)自動(dòng)控制恒張力，0～15 kg可調(diào)，誤差≤3%；二是烘干部分出烘箱段的張力，本裝備采用閉環(huán)控制自動(dòng)控制恒張力，張力0～25 kg可調(diào)；三是收卷部分的張力，閉環(huán)控制，通過控制浮輥位置恒定的方式控制張力穩(wěn)定，電氣比例閥給定張力，張力傳感器檢測(cè)張力，張力設(shè)置范圍50～200 N，變張力收卷，錐度系數(shù)0～50%。最終達(dá)到保持張力穩(wěn)定以使涂布均勻，同時(shí)收卷整齊，避免起皺。張力控制原理圖如圖8所示。

圖8 張力控制原理圖

鋰電池的基材非常薄，通常為30微米以內(nèi)，在涂布的過程中，若不采取糾偏處理，則容易引起基材起皺，導(dǎo)致涂布不均勻，收卷不整齊，更有甚者會(huì)導(dǎo)致基材局部拉力過大而破壞基材。本裝備中采用自動(dòng)EPC（對(duì)邊糾偏）邊緣檢測(cè)糾偏方式來保證基材的平行度和平整度，通過電氣驅(qū)動(dòng)超聲波檢測(cè)（可檢測(cè)透明箔材），移動(dòng)范圍±50mm，糾偏控制器精度＜±0.2mm，從而使涂膜邊沿對(duì)齊度≤±0.5mm。

3.4 實(shí)時(shí)膜厚監(jiān)測(cè)反饋閉環(huán)控制技術(shù)

從整個(gè)涂布機(jī)的結(jié)構(gòu)和組成可以看到，涂布質(zhì)量是多個(gè)部分，多個(gè)因素共同作用的結(jié)果，任何一點(diǎn)細(xì)微的變動(dòng)都可能會(huì)引起最終的涂布厚度均勻性達(dá)不到產(chǎn)品要求，故采取了上述的各種措施，如采用特制的擠壓模頭、先進(jìn)的張力和糾偏技術(shù)、快速烘干技術(shù)之外，還需要對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，并閉環(huán)自動(dòng)調(diào)整，才能保證生產(chǎn)的產(chǎn)品滿足后續(xù)生產(chǎn)需要和鋰電池產(chǎn)品質(zhì)量要求。本項(xiàng)目采用Beta-ray測(cè)厚技術(shù)，配合閉環(huán)自動(dòng)控制技術(shù)來達(dá)到涂布厚度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反饋閉環(huán)控制，具體如圖9所示。

圖9 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反饋閉環(huán)控制原理圖

4 結(jié)束語

圖10 高速、高精智能化鋰電池涂布機(jī)樣機(jī)

本項(xiàng)目研發(fā)出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的單面精密快速擠壓涂布機(jī)，樣機(jī)如圖10所示。該裝備在滿足性能要求的同時(shí)降低了我國(guó)鋰電池制造企業(yè)的生產(chǎn)成本，可替代昂貴的進(jìn)口產(chǎn)品。項(xiàng)目綜合采用運(yùn)動(dòng)控制、伺服驅(qū)動(dòng)、傳感器、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多種學(xué)科和技術(shù)，屬集成創(chuàng)新，通過關(guān)鍵工藝、新型結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)等方面的創(chuàng)新研究應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了放卷、糾偏、張力控制、漿料輸送、涂布、烘干、收卷等多功能復(fù)合一體化結(jié)構(gòu)，涂布速度為15～30m/min，部分指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。