涂布設(shè)備在鋰離子電池生產(chǎn)過程中的應(yīng)用分析

康振旌

（浙江南都電源動力股份有限公司，浙江杭州 310000）

0.引言

一塊鋰電池，從原材料到成為成品電芯，需要近20個工序，500個以上的工藝控制點(diǎn)，相關(guān)管控的參數(shù)，更是多達(dá)數(shù)千個。涂布工序便是前段最為核心的一道工序，也是工藝控制最為重要且南都較高的一道工序。涂布質(zhì)量好不好，直接影響電池的一致性、容量以及安全性能。尤其是面密度的波動、厚度精度、邊緣對齊度等，微米級的影響，都會造成極大的擾動，影響生產(chǎn)進(jìn)程和產(chǎn)品質(zhì)量。而這些問題的影響因素和發(fā)生機(jī)制是非常復(fù)雜的，現(xiàn)場的操作規(guī)程以及按傳統(tǒng)行業(yè)設(shè)備制定的保養(yǎng)策略，是無法滿足應(yīng)對這類情況的需求。因此，對該類核心工序的分析和弊病研究，對鋰電生產(chǎn)過程關(guān)鍵設(shè)備的應(yīng)用有著重大的作用。這也要求對涂布這類關(guān)鍵工序進(jìn)一步理論探究，并形成科學(xué)合理的方案指導(dǎo)實(shí)踐。

1.涂布的主要結(jié)構(gòu)

目前鋰離子電池制造企業(yè)中涂布分為3種，分別是擠壓式涂布、刮刀（轉(zhuǎn)移）式涂布和凹凸版涂布。其中擠壓式涂布在近年來的應(yīng)用中，以其效率高、精度高和生產(chǎn)相對穩(wěn)定的優(yōu)勢，逐漸替代了刮刀式涂布設(shè)備。而凹凸版涂布設(shè)備主要用于涂炭鋁箔/銅箔等基材超薄圖層的應(yīng)用。本次應(yīng)用主要分析企業(yè)中使用最廣的擠壓涂布。根據(jù)行業(yè)主流設(shè)備信息以及價(jià)值工程理論，分析出涂布設(shè)備主要構(gòu)成，見圖1。

圖1 涂布設(shè)備主要功能結(jié)構(gòu)圖

主要功能機(jī)構(gòu)見表1。

表1 主要功能結(jié)構(gòu)表

2.涂布設(shè)備應(yīng)用的環(huán)境因素分析

涂布是在集流體上用新的材料取代空氣的一種方法，利用涂布設(shè)備在成卷的鋁箔或銅箔上涂覆一層正極或負(fù)級漿料，然后經(jīng)過干燥再回收成卷的過程。這個過程注定了涂布工序受非常強(qiáng)的環(huán)境影響。環(huán)境影響的具體情況以及產(chǎn)生的后果，經(jīng)過現(xiàn)場的大量統(tǒng)計(jì)分析歸為4個方面。

2.1 來料環(huán)境的影響

來料環(huán)境不佳，會加速來料性質(zhì)的改變。尤其是粘度、分層以及氣泡的情況，會直接導(dǎo)致涂布時涂層厚度不勻、劃痕、漏箔、拖尾等問題的產(chǎn)生。在生產(chǎn)過程中，盡可能保持涂布來料環(huán)境與生產(chǎn)環(huán)境的一致性。

2.2 漿料輸送環(huán)境

漿料的輸送不當(dāng)（如管道內(nèi)清洗不干凈、有雜物和空氣、輸送管道過長、內(nèi)徑過大使?jié){料在管道內(nèi)駐留時間過長），流體在封閉的管道內(nèi)的流動速度呈三維拋物線狀分布在管壁的地方會形成漿垢，影響涂層厚度和質(zhì)量。

2.3 室內(nèi)環(huán)境

主要表現(xiàn)在室內(nèi)空氣的清潔度、溫度、濕度、干擾源等，空氣中灰塵多、顆粒大，影響涂層表面質(zhì)量，溫度變化會影響涂層的厚度變化，濕度大使烘干的極片回潮，周邊有大的震動源，影響厚度精度、出現(xiàn)橫向波紋。

3.涂布設(shè)備應(yīng)用的關(guān)鍵過程分析

3.1 設(shè)備走帶

走帶是箔帶在一定的張力控制下、按固定的片路和程序規(guī)定的速度、在不起皺褶和損傷的前提下由放卷放出經(jīng)過涂布、干燥再收卷成整齊料卷的過程。是涂布過程中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一。對走帶過程的分析，有利于溯源涂布質(zhì)量異常的成因，并歸類預(yù)防。走帶過程的分析，主要分走帶張力的分析、張力隔斷的分析、張力控制的分析、走帶導(dǎo)向的分析以及走帶速度的影響。

3.1.1 走帶張力的分析

張力是作用于涂布機(jī)相鄰兩部分之間片幅上的力如圖2所示，這個力一定要拉緊片幅但又不能把箔拉斷。張力太小，一方面片幅拉不緊，另一方面在主傳動輥上會打滑，造成走帶速度的不穩(wěn)定，使涂布層厚度不勻甚至不能涂布；張力太大容易造成箔帶褶皺甚至拉斷箔帶。多大的張力最好呢，現(xiàn)在鋰電池通用的銅箔厚度9μm～12μm、鋁箔厚度在12μm～25μm時，從理論上說一般采用在寬度上1N/cm～3N/cm是沒問題的。在涂布過程中張力跳動在3%～5%時也不會影響涂布的正常進(jìn)行。

圖2 張力發(fā)生示意

在整個片路上最理想的是一致的張力，但比較難做到，其實(shí)張力也允許有一定的張力差如圖3所示，既進(jìn)輥張力和出輥張力的差值，涂布機(jī)的各部分都有控制一定張力差的能力，但超過這個極限，可能會斷帶或打滑。輥筒與片幅之間打滑就不能控制片幅速度，影響涂布精度。

圖3 張力差產(chǎn)生示意

3.1.2 張力隔斷的控制分析

為了處理較大的張力差，將涂布機(jī)分成不同的張力區(qū)域，如牽引輥把涂布和收卷的張力隔開如圖4所示，以控制收卷的錐度張力。如果涂布把放卷和涂布張力也隔開的如圖5所示，這是非常有利于涂布穩(wěn)定的措施。張力的控制在整個走帶的過程中是很重要的環(huán)節(jié)。

圖4 張力隔斷1

圖5 張力隔斷2

張力隔斷后，為保障涂布設(shè)備啟動時的穩(wěn)定，避免箔帶遭受啟動瞬時速度的沖擊，應(yīng)當(dāng)設(shè)定延時張力控制措施，即預(yù)緊張力，在啟涂前就給箔帶一個張力將箔帶拉至合適的張緊程度，尤其是高速涂布設(shè)備，可以極大增加啟動穩(wěn)定性。

3.1.3 張力控制系統(tǒng)分析

目前行業(yè)主要采用的張力控制方式根據(jù)結(jié)構(gòu)可分為3類，即磁粉電機(jī)電流反饋調(diào)節(jié)式、浮動輥電位器調(diào)節(jié)式和力學(xué)傳感器式。根據(jù)這3類的原理分析來看，同時隨著精度要求的提高和效率的不斷提升，以張力傳感器配合伺服或DD馬達(dá)放卷效果優(yōu)于其他。缺點(diǎn)是成本相對較高，詳細(xì)見表2。

表2 張力控制模式

3.1.4 走帶糾偏系統(tǒng)分析

為了使箔帶按固定片路傳送，在整個片路中設(shè)置了3個糾偏機(jī)構(gòu)，它是片幅橫向定位的設(shè)備，結(jié)構(gòu)分析如圖6所示。其中放卷和出烘箱糾偏感應(yīng)器裝在固定位置上，而收卷糾偏感應(yīng)器與收卷滑車隨動。

圖6 糾偏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖示

在糾偏設(shè)備使用時要注意的是：傳感器是否裝在同一邊線上，放卷糾偏感應(yīng)點(diǎn)和出烘箱糾偏感應(yīng)點(diǎn)的連線必須與涂布機(jī)中軸線平行，糾偏推送器的推送速度在可以達(dá)到糾偏目的的情況下越慢越好，整個推送機(jī)構(gòu)不能有間隙和噪音、抖動等。

3.2 漿料涂覆過程的分析（擠壓涂布）

3.2.1 涂層獲得的分析

擠壓涂布均勻涂層的獲得條縫擠壓涂布是由上下兩片金屬板中間夾一層一定厚度的金屬片構(gòu)成一條靠近片幅的條縫，將漿料定量輸入金屬板內(nèi)的勻流腔，勻流腔的設(shè)計(jì)使?jié){料在條縫的寬度方向上獲得均勻的流速，漿料從條縫排出在唇口和片幅之間形成涂珠（液橋），再由運(yùn)動的片幅全部帶走。

3.2.2 涂層理論計(jì)算

在片幅上形成涂層如圖7和圖8所示。

圖8 涂層形成示意

當(dāng)漿料全部由片幅帶走時，涂布的平均濕厚度就可由以下公式計(jì)算出來

t=100Q/W＊U，其中：

t—涂層濕厚度，（μm）

Q—供料總流量，（cm3/s）

W—總涂層寬度，（cm）

U—片幅走速,（m/s）

從上式可以看出，決定涂層濕厚度的是流量、片幅寬度和走帶速度，與粘度無關(guān)（前提是必須能使?jié){料被片幅全部帶走，在這個前提下，粘度的變化對涂層濕厚度才沒有影響，但事實(shí)上是很難做到的）。目前現(xiàn)場情況來看，大多數(shù)情況下粘度對涂布影響還是很大，說明瞬間漿料并沒有被基材全部帶走，但帶給我們的參考是：在螺桿泵及設(shè)備穩(wěn)定的情況下，粘度波動對厚度影響較大的情況發(fā)生時，我們可以以涂布輥縫由大及小的方式去調(diào)節(jié)輥縫至厚度穩(wěn)定（由涂覆出現(xiàn)漏箔開始調(diào)小輥縫至面密度穩(wěn)定），再通過墊片調(diào)節(jié)幅寬及邊緣情況，盡可能消除粘度變化帶來的影響，提高穩(wěn)定性。

3.2.3 涂層均勻度分析

間隙的影響：當(dāng)片幅平行于涂布唇板時，設(shè)唇板與片幅之間的間隙為G，在上唇口和片幅間的流層是層流，在片幅處漿料的流速就是片幅走帶的速度，在唇口處漿料的流速等于0，其平均速度等于片幅速度的一半，它的流量是平均速度與間隙G的乘積，漿料在片幅上的流量是片幅速度乘涂層濕厚度，這樣得到下面的公式：U/α＊G=Ut，即 G=αt。

由上述經(jīng)驗(yàn)公式可見，當(dāng)片幅平行于涂布唇板時，條縫擠壓涂布頭的唇口與片幅之間的間隙分布在二倍濕厚度的位置前后。根據(jù)嘉拓、贏合、金銀河等涂布設(shè)備調(diào)試參數(shù)、穩(wěn)定性和大量案例來看，二倍輥縫逼近調(diào)試是明顯優(yōu)于擠進(jìn)式調(diào)節(jié)，但該方式涉及對墊片的判定和設(shè)計(jì)要非常準(zhǔn)確，對墊片的制作要求極高。

3.2.4 供料系統(tǒng)分析

就輸料系統(tǒng)而言，高精度的定量泵和勻速的轉(zhuǎn)動是首要的，精確的管路設(shè)計(jì)（包括儲料罐、過濾器、閥門、進(jìn)料管和回料管的長度、直徑、材料等也是設(shè)計(jì)考慮因素）是不可少的，管路的清潔和密封更不能忽視。

螺桿泵泵無須選過大或過小的，選取原則為使用量匹配螺桿泵規(guī)格為最大泵出量65%～75%為最佳，管道越短越好。

液位系統(tǒng)以稱量控制為最佳，可以避免出現(xiàn)液位失控等問題。目前行業(yè)主要采用的超聲傳感器，并不適合用在漿料液位控制，同時也不符合機(jī)電工程儀器儀表安裝使用規(guī)范。供料系統(tǒng)示意圖如圖9所示。

圖9 供料系統(tǒng)示意圖

3.3 涂布烘道的分析

3.3.1 烘箱系統(tǒng)構(gòu)成

涂布烘箱，將熱能提供給涂在箔帶上的涂層，將涂層中用于懸浮、溶解、分散有效組份的那些不起作用的溶劑蒸發(fā)掉，而在箔帶上只留下需要的干涂層且不能改變涂層的均勻性質(zhì)的熱力過程。烘箱結(jié)構(gòu)簡圖如圖10所示。

圖10 烘箱結(jié)構(gòu)簡圖

烘箱（干燥器）一般是由干燥箱、風(fēng)機(jī)、換熱器、空氣過濾器、風(fēng)管、溶劑和熱量回收等部分組成。由風(fēng)機(jī)將過濾了的空氣通過換熱器加熱送入靜壓腔，再由風(fēng)嘴將熱空氣噴射到涂層邊界層將溶劑蒸汽帶走進(jìn)行干燥，一部分帶有蒸汽的熱風(fēng)在加入新鮮干燥空氣后進(jìn)行循環(huán)使用；另一部分排出或進(jìn)行溶劑回收或直排。目前之所以加入新鮮干燥空氣，是為了使干燥的熱風(fēng)不因溶劑飽和而喪失干燥能力。

干燥和涂布是各自獨(dú)立但又相互聯(lián)系的，如涂布的速度就受到干燥器的干燥能力和涂層干燥所需要的駐留時間的限制。如果駐留時間短干燥過快有可能造成涂層的干燥弊病。

3.3.2 干燥過程的分析

干燥有定型（增速干燥）、恒速干燥和降速干燥3個階段，有時還增加一個平衡段。

而干燥方式根據(jù)走帶過程的形式分為兩種，單面沖擊干燥，詳細(xì)見表3。

表3 干燥方式分類

4.涂布產(chǎn)生的弊病分析及處理措施

4.1 涂布走帶產(chǎn)生的弊病分析（見表4）

表4 走帶弊病分析表

4.2 涂覆過程的弊病分析（見表5）

表5 涂覆過程弊病分析表

4.3 涂布干燥弊病分析（見表6）

表6 干燥弊病分析表

5.結(jié)語

通過對鋰電生產(chǎn)制造的關(guān)鍵關(guān)節(jié)，進(jìn)行科學(xué)合理的分析并通過責(zé)任意識和專業(yè)水平較高的團(tuán)隊(duì)保障，對鋰離子電池生產(chǎn)過程有重要意義。要想讓鋰電工藝質(zhì)量要求真正有效的持續(xù)推進(jìn)，需要根據(jù)設(shè)備目前實(shí)際的情況，不斷進(jìn)行分析和探索，并有針對性地制定相關(guān)預(yù)防及保障措施，同時在不斷實(shí)踐中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，讓鋰電制造向更高可靠、更高精度、更高效率、更高智能的高度前進(jìn)。