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锂电行业:涂布是门学问,要搞懂真不容易
浆料涂覆是继制备浆料完成后的下一道工序,此工序主要目的是将稳定性好、粘度好、流动性好的浆料均匀地涂覆在正负极集流体上。极片涂布对锂电池电池的容量、一致性、安全性等的具有重要的意义。据小小锂博士不完全统计:因极片涂布工艺引起的电池失效占全部原因引起的锂电池失效的比例超过10%,也是材料匠群里的热门话题之一。






涂布工艺对锂电池性能的影响



极片涂布一般是指将搅拌均匀的浆料均匀地涂覆在集流体上,并将浆料中的有机溶剂进行烘干的一种工艺。涂布的效果对电池容量、内阻、循环寿命以及安全性有重要影响,保证极片均匀涂布。涂布方式的选择和控制参数对锂离子电池性能的有重要影响,主要表现在:

1)涂布干燥温度控制若涂布时干燥温度过低,则不能保证极片完全干燥,若温度过高,则可能因为极片内部的有机溶剂蒸发太快,极片表面涂层出现龟裂、脱落等现象;
2)涂布面密度:若涂布面密度太小,则电池容量可能达不到标称容量,若涂布面密度太大,则容易造成配料浪费,严重时如果出现正极容量过量,由于锂的析出形成锂枝晶刺穿电池隔膜发生短路,引发安全隐患;
3)涂布尺寸大小:涂布尺寸过小或者过大可能导致电池内部正极不能完全被负极包住,在充电过程中,锂离子从正极嵌出来,移动到没有被负极完全包住的电解液中,正极实际容量不能高效发挥,严重的时候,在电池内部会形成锂枝晶,容易刺穿隔膜导致电池内部电路;
延伸阅读:Overhang设计对锂电池性能的影响
4)涂布厚度:涂布厚度太薄或者太厚会对后续的极片轧制工艺产生影响,不能保证电池极片的性能一致性。
另外极片涂布对电池的安全性有重要意义。涂布之前要做好5S工作,确保涂布过程中没有颗粒、杂物、粉尘等混入极片中,如果混入杂物会引起电池内部微短路,严重时导致电池起火爆炸。


涂布设备及涂布工艺选择



广义的涂布过程包括:开卷→接片→拉片→张力控制→涂布→干燥→纠偏→张力控制→纠偏→收卷等过程。涂布工艺复杂,同时影响涂布效果的因素也较多,比如:涂布设备的制造精度、设备运行的平稳程度以及涂布过程中动态张力的控制、烘干过程中风量的大小以及温度控制曲线都会影响涂布的效果,所以选择合适的涂布工艺极为重要。
一般选择涂布方法需要从下面几个方面考虑,包括:涂布的层数,湿涂层的厚度,涂布液的流变特性,要求的涂布精度,涂布支持体或基材,涂布的速度等。  
除上述因素外,还必须结合极片涂布的具体情况和特点。锂离子电池极片涂布特点是:①双面单层涂布;②浆料湿涂层较厚(100~300μm);③浆料为非牛顿型高粘度流体;④极片涂布精度要求高,和胶片涂布精度相近;⑤涂布支持体为厚度10~20μm的铝箔和铜箔;⑥和胶片涂布速度相比,极片涂布速度不高。综上因素考虑,一般实验室设备往往采用刮刀式,消费类锂离子电池多采用辊涂转移式,而动力电池多采用狭缝挤压式方法

图1 涂布机设备主要构件

刮刀涂布:工作原理如图1所示,箔基材经过涂布辊并直接与浆料料槽接触,过量的浆料涂在箔基材上,在基材通过涂辊与刮刀之间时,刮刀与基材之间的间隙决定了涂层厚度,同时将多余的浆料刮掉回流,并由此在基材表面形成一层均匀的涂层。刮刀类型主要逗号刮刀。逗号刮刀是涂布头中的关键部件之一,一般在圆辊表面沿母线加工成形似逗号的刃口,这种刮刀具有高的强度和硬度,易于控制涂布量和涂布精度,适用于高固含量和高黏度的浆料。

图2 逗号刮刀涂布机

辊涂转移式:涂辊转动带动浆料,通过逗号刮刀间隙来调节浆料转移量,并利用背辊和涂辊的转动将浆料转移到基材上,工艺过程如图2所示。辊涂转移涂布包含两个基本过程:(1)涂布辊转动带动浆料通过计量辊间隙,形成一定厚度的浆料层;(2)一定厚度的浆料层通过方向相对的涂辊与背辊转动转移浆料到箔材上形成涂层。
图3 辊涂刮刀转移涂布工艺示意图

狭缝挤压涂布:作为一种精密的湿式涂布技术,如图3所示,工作原理为涂布液在一定压力一定流量下沿着涂布模具的缝隙挤压喷出而转移到基材上。相比其它涂布方式,具有很多优点,如涂布速度快、精度高、湿厚均匀;涂布系统封闭,在涂布过程中能防止污染物进入,浆料利用率高、能够保持浆料性质稳定,可同时进行多层涂布。并能适应不同浆料粘度和固含量范围,与转移式涂布工艺相比具有更强的适应性。 

图片
图4 狭缝挤出式涂布机

涂布的均匀性


所谓涂布均匀性是指在涂布区域内涂层厚度或涂胶量分布的一致性。涂层厚度或涂胶量的一致性越好,涂布均匀性越好,反之越差涂布均匀性并没有统一的度量指标,可以用一定区域内各点的涂层厚度或涂胶量相对于该区域的平均涂层厚度或涂胶量之偏差或偏差百分比来衡量,也可以用一定区域内最大和最小涂层厚度或涂胶量之差来衡量。涂层厚度通常用µm表示。

涂布均匀性都是用来评价一个区域的整体涂胶状况的。但在实际生产中,我们通常更关心在基材横向和纵向两个方向上的均匀性。所谓横向均匀性在涂布宽度方向(或机器横向)上的均匀性。所谓纵向均匀性是在涂布长度方向(或基材行进方向)上的均匀性。横向和纵向涂胶误差的大小、影响因素及控制方式都有很大的不同。一般情况下,基材(或涂胶)宽度越大,横向均匀性就越难控制。根据涂布在线多年的实际经验,当基材宽度在800mm以下时,横向均匀性通常都很容易保障;当基材宽度在1300~1800mm时,横向均匀性常常能控制好但有一定的难度,需要相当专业的水准;而当基材宽度在2000mm以上时,横向均匀性的控制在有非常大的难度,只有极少厂家能处理好。而当生产批量(即涂布长度)增加时,纵向均匀性就可能成为比横向均匀性更大的难点或挑战。

来源:材料匠


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