鋰離子電池領域涂布技術(shù)發(fā)展摘要：鋰離子電池自上世紀90年代實現(xiàn)商業(yè)化以來，隨著需求量的激增，以及應用領域的擴張，推動了其制造過程的發(fā)展進步。作為鋰離子電池生產(chǎn)制造過程中及其關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)——正負極極片的涂布，在很大程度上影響著最終電池的性能。通過回顧鋰離子電池生產(chǎn)過程中的涂布技術(shù)，總結(jié)其發(fā)展過程，并針對目前存在的痛點和難點問題，展望未來技術(shù)發(fā)展動向。關(guān)鍵詞：鋰離子電池；涂布；極片1.前言鋰離子電池的生產(chǎn)工藝較為復雜，且部分關(guān)鍵工序在環(huán)境管控、設備精度等方面要求極其嚴格。隨著加工工藝、設備能力等方面的不斷發(fā)展進步，鋰離子電池在能量密度提升、安全性等方面也有了長足的進步。鋰離子電池電極的生產(chǎn)制造決定了電池性能的70%以上，而涂布工藝又直接決定了極片的品質(zhì)。所謂涂布工藝，是指在一種基材的一面或者兩面涂上覆蓋層、上光層或保護層的過程。涂布過程基本都是經(jīng)歷從濕膜，烘箱干燥，到干膜的過程。對于鋰離子電池，正負極極片涂布，即為將制備好的正負極漿料，通過涂布設備均勻地涂覆到集流體基材上，正極為鋁箔，負極為銅箔，然后通過烘箱對濕膜進行烘干，使?jié){料內(nèi)的溶劑充分揮發(fā)，經(jīng)收卷裝置獲得初步加工的正負極極片卷。涂布技術(shù)的發(fā)展，不僅僅體現(xiàn)在設備的更新?lián)Q代，同時也伴隨在鋰離子電池技術(shù)發(fā)展的潮流浪潮中。1.涂布技術(shù)發(fā)展影響因素鋰離子電池正負極漿料的性質(zhì)直接決定了涂布的效果，對于涂布所需的漿料正常情況下關(guān)注其粘度、細度以及固含量。隨著鋰離子電池行業(yè)的整體發(fā)展，對于漿料的研究也開始更加科學，例如很多公司為保證涂布效果，開始深入研究漿料的流變特性，重點考量漿料的剪切速率-粘度變化，以此來模擬涂布時高剪切下漿料的粘度變化情況，進而能夠做到最佳的流平狀態(tài)，最終保證極片的品質(zhì)。當然涂布形式的不同，對漿料的要求也是有所區(qū)別的。一般情況下，鋰離子電池正極漿料選擇N-甲基吡咯烷酮（NMP）有機液體作為溶劑，即所謂的油系漿料，其粘度一般較高，例如磷酸鐵鋰體系采用濕法制得的正極漿料，當固含量54%時，粘度約為8000-12000mPa?s；而同樣粘度下的鎳鈷錳三元體系漿料，其固含量卻可以做到70%以上。所以相比較而言，鎳鈷錳三元體系漿料對涂布機的干燥性能要求更低，并且由于磷酸鐵鋰粉體粒徑總體更小涂布過程中干燥速率不合適時，更容易出現(xiàn)開裂，影響極片品質(zhì)。鋰離子電池負極漿料則采用純水作為溶劑，即水系漿料，輔以羧甲基纖維素鈉（CMC）作為分散劑，保證漿料的穩(wěn)定性，防止發(fā)生沉降，漿料粘度一般在4000-8000mPa?s,固含量范圍45%-60%之間。由于水的沸點在常壓下為100°C，遠低于NMP溶劑，所以負極漿料涂布對溫度的要求較低?？傮w而言，為保證涂布效果，理想的漿料狀態(tài)應為“高固含，低粘度”，這樣既能保證漿料具有更佳的流動性，又能保證干燥條件不用過分苛刻，從而得到最佳品質(zhì)的極片。涂布關(guān)鍵技術(shù)目前鋰離子電池領域常用的為轉(zhuǎn)移式涂布和擠壓式涂布。轉(zhuǎn)移式涂布主要為早期3C類產(chǎn)品鋰離子電池極片涂布時使用，目前行業(yè)內(nèi)普遍使用的擠壓式涂布擠壓涂布的工作原理為漿料通過近乎無脈沖的螺桿泵精密輸送至擠壓模腔內(nèi)形成穩(wěn)定的腔內(nèi)壓力后經(jīng)狹縫擠出到基材表面形成薄膜，再經(jīng)烘箱干燥后得到極片。從設備的構(gòu)造來劃分，擠壓涂布機分為供料系統(tǒng)、涂布系統(tǒng)、干燥系統(tǒng)、張力控制系統(tǒng)以及輔助在線監(jiān)控系統(tǒng)。2.2.1供料系統(tǒng)擠壓式涂布機需要配備高精度的供料系統(tǒng)，包括配有液位傳感器的漿料緩存罐，漿料過濾系統(tǒng)以及核心部件螺桿泵。制備好的漿料經(jīng)管道輸送至中轉(zhuǎn)罐中真空消泡后，經(jīng)螺桿泵輸送至涂布頭漿料緩存罐，此區(qū)間一般配置普通燒結(jié)網(wǎng)過濾器（80目-150目）和旋轉(zhuǎn)過濾器。漿料緩存罐液位設定在30%-80%范圍內(nèi)，并啟動緩慢攪動功能，保持漿料的流動性。緩存罐向涂布模頭內(nèi)供料時，要求漿料能夠連續(xù)穩(wěn)定供應以確保涂布極片面密度的穩(wěn)定性，所以配置高精度計量的螺桿泵，并且此區(qū)間的漿料需要進一步精濾，一般會使用電子級的深度過濾。如果為間歇式涂布極片，還需要加裝間隙閥來控制模腔內(nèi)漿料壓力，進而實現(xiàn)涂布的穩(wěn)定間斷。涂布系統(tǒng)所謂涂布系統(tǒng)，是實現(xiàn)從漿料到極片加工過程首要步驟，包含模頭、墊片和涂布背輥。漿料經(jīng)螺桿泵輸送至模頭腔體內(nèi)后，橫向展開，通過流體力學仿真發(fā)現(xiàn)，腔體內(nèi)漿料呈現(xiàn)進料口擠出力最大，并逐漸向兩側(cè)減小的趨勢。隨著行業(yè)的發(fā)展，對極片橫向面密度提出了更高的要求，所以涌現(xiàn)出了雙腔模頭及千分尺調(diào)節(jié)閥（模頭上唇口設置），涂布過程中發(fā)現(xiàn)局部橫向面密度發(fā)生波動時，可通過調(diào)節(jié)模頭上的對應位置的調(diào)節(jié)閥，來實現(xiàn)面密度微調(diào)，從而保證了橫向面密度的一致性。墊片可以保證漿料擠出的均一性，分為完全開口式和間斷開口式，完全開口式所得的為滿幅極片；間斷開口式為條紋極片。此外，為提升最終電芯的安全性可在正極片邊緣涂上一定寬度的陶瓷絕緣層。涂布背輥核心在于圓徑跳必須要有足夠的精度（W2um），進而保證基材與膜唇的間歇穩(wěn)定。綜合以上，涂布系統(tǒng)是保持涂布極片品質(zhì)的關(guān)鍵核心，所以其模頭、墊片和背輥的要求都極高，模頭內(nèi)上下唇口狹縫面平面度W2um,粗糙度W0.008um；墊片的表面處理精度基本和模頭唇口面一致。干燥系統(tǒng)干燥系統(tǒng)即涂布機烘箱，包含進排風機、加熱包（熱源）、風道風嘴等，正極因漿料溶劑為N-甲基吡咯烷酮，需要配置溶劑回收系統(tǒng)。進排風機的選型依據(jù)設備能力而定，需要考慮涂布廢氣量和溶劑爆炸極限。一般情況下，對于50%固含量的漿料，需要涂布速度±50m/min時，按照40m長度的雙層烘箱計算，其風量需求±80000m3/h。為更高效地干燥極片，同時實現(xiàn)節(jié)能降耗的目的，正極涂布機均配置余熱回收功能，即排風機排出去的溫度很高的廢氣，在揮發(fā)的NMP氣體被逐步液化的過程中，將其熱量傳遞給即將進入熱交換器前的新風，從而降低熱交換器的能耗。涂布機理想設計要求風管長度盡可能短，并且減少彎頭數(shù)量，這樣能夠保證足夠的風壓，從而增加風機和熱量的有效利用率。風嘴設計方面，在噴射風的過程中，對風有一個集中的過程，這樣能夠提高風速和風壓，進而提高干燥過程中的熱效率［1］。張力系統(tǒng)與張力系統(tǒng)密切相關(guān)的機械機構(gòu)包含放卷輥、涂布輥、牽引輥、收卷輥以及張力隔斷輥（夾膠輥）等。張力控制系統(tǒng)中PLC是整個系統(tǒng)的核心部分，通過張力擺動輥實現(xiàn)張力設定值與張力反饋值的實時調(diào)節(jié)，從而保證張力的穩(wěn)定［2］。涂布機設備由于走帶長度過長，無法使用一套張力控制系統(tǒng)完成從放卷到收卷的整個過程，一般會將放卷單元、涂布烘箱單元以及收卷單元之間用夾膠輥進行張力隔斷，再通過PID模塊來調(diào)節(jié)各單元之間的張力。輔助在線監(jiān)控系統(tǒng)為保證涂布極片的質(zhì)量，實時監(jiān)控涂布面密度和外觀、尺寸等。目前市場上的涂布機均配有面密度在線掃描儀和尺寸、外觀CCD檢測系統(tǒng)。面密度的在線監(jiān)控，可選擇B-ray面密度儀或者X-ray掃描儀。其中涂布設備多選擇B-ray，而X-ray主要用于極片輥壓厚度監(jiān)控⑶。CCD視覺檢測設備在涂布機設備上的使用，能夠及時識別涂布機片尺寸、外觀方面的不良，有效攔截不良品的流出。1.結(jié)束語鋰離子電池的發(fā)展推動著涂布技術(shù)的前進，當前的涂布技術(shù)還有很長的路要走。其實近些年已經(jīng)提出了很多比較前沿的技術(shù)思路，但是受限于軟硬件設施的限制，還需要不斷探索