涂布机结构图及工作原理(【干货】极片涂布工序监控工艺重点)

Posted 2023-06-01

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涂布机结构图及工作原理(【干货】极片涂布工序监控工艺重点)

一、集流体简介

顾名思义就是指汇集电流的结构或零件，在钾离子电池上主要指的是金属箔，如铝箔、铜箔 (单体电芯)、铝排、铜排(模组)。其功用主要是D负载正极或负极材料，并将电极活性物质产生的2电流汇集起来以便形成较大的电流对外输出。为电化学反应提供电子通道、加快电荷转移，减少电化学极化，提高充放电库仑效率因此集流体应与活性物质I充分接触，并且I内阻应尽可能小为佳。

1、单体电芯的集流体，具有下述性能

1）具有良好的机械性能，同时质量轻、薄;

2）在电解液中具有足够的化学稳定性和电化学稳定性;

3）与电极混合物材料(活性材料、胶粘剂和导电剂)具有良好的粘接性能

4）生产工艺简单易实现，低成本

2、选择铝箔、铜箔的原因

正负极一般情况下采用不同的集流体，这是由于正负极充放电过程中不同的电位条件决定的。在离子电池中，一般正极(LFP等)的集流体是A1箔，而负极(石墨)的集流体是Cu箔。

AI的嵌Li电位为0.3V，作为负极时，极易嵌Li形成LiAl合金，由于AI表面极易形成致密氧化层，可以保护AI在正极高电位下化学稳定性，故AI适合做正极集流体。

Cu氧化电位为3.35V，在正极高电位下极易发生氧化，Cu的八面体间隙很小，Li很难嵌入，故Cu适合做负极集流体。

3、铝箔

(1)按照铝箔合金元素不同，铝箔通常分为1系，3系(高Mn/Fe)，8系(高Fe)，这些合金元素能形成的含铁颗粒经过轧制形成细小的弥散颗粒，这些颗粒能够稳定晶粒帮助形成细晶，从而提升铝箔的延伸率与抗拉强度

(2)按照铝箔按表面状态可分为一面光铝箔和两面光铝箔。其中单面光铝箔采用双合轧制工艺，分卷后一面光亮，一面偏暗:而两面光单铝箔采用单张轧制的铝箔，两面和轧辊接触:在相同处理工艺条件，通常两面光的铝箔延伸率较单面光铝箔高，但相对成本也较高。

(3)按照铝箔是否有清洗工艺，铝箔又定义为洗净箔与非洗净箔也有按照热处理工艺不同，将铝箔分为H态与O态

铝箔是在鲤离子电池内既是正极材料的载体，又充当正极电子的收集与传输体，而正极相对电位与压实密度偏高，因此，鲤电池制造对铝箔有特别的技术要求。

1.铝箔要有一定的强度和韧性(抗拉强度差、延展差一银压断带)

2.铝箔上能均匀地涂敷负极材料而不脱落(外观瑕疵一涂不露等);

3.铝箔应有良好的耐蚀性(腐蚀一电性能);

4.铝箔必须有良好的导电性;

4、铜箔

工业用铜箔按生产工艺可分为压延铜箔与电解铜箔两大类。电解铜箔易于生产操作，生产率较高，价格相对便宜等优势，目前，世界铜箔市场的90%为电解铜箔，10%为压延铜箔。

电解铜箔两面表面结晶形态不同，紧贴阴极辑的一面比较光滑，称为光面;另一面呈现凹凸形状的结晶组织结构，比较粗糙，称为毛面。

铜箔是在鲤离子电池内既是负极材料的载体，又充当负极电子的收集与传输体。因此，鲤离子电池制造对铜箔有特别的技术要求:

1）铜箔要有一定的强度和韧性(抗拉强度差一辊压断带,延展差一料箔分离）

2）铜箔上能均匀地涂敷负极材料而不脱落(外观瑕疵一涂不漏箔等);

3）铜箔应有良好的耐蚀性(腐蚀一电性能);

4）铜箔必须有良好的导电性:

二、集流体处理工艺

利用功能涂层对鲤离子电池集流体进行表面处理是一项突破性的鲤离子电池技术创新，涂碳铝箔/铜箔是将纳米导电碳/石墨颗粒与粘接剂按照-定比例分散好，均匀、细腻地涂覆在铜箔/铝箔上，它能够提供极佳的静态导电性能，收集活性物质的微电流，从而可以大幅度降低正/负极材料与集流体之间的接触电阻，并能够提高两者之间的附着能力，可以减少粘接极的使用量，进而电池的整体性能产生显著的提升。涂层分水性 (水剂体系)和油性(有机溶剂体系)两种类型。

三、凹版涂布机-底涂

在凹版涂布中，刻在圆辑上的小坑存留这从液源得到的液体，辅助刮刀将辊上多余的液体刮除。然后压入小坑的流体转移到片幅(在直接凹版)或橡胶传递辑上(平凹版)。液体遮盖的范围取决于压入坑的液体数量。坑的形状和流体转移到片幅的数量。因为在片幅上的流体反映出凹辊上的图形，为了得到平滑的涂层，流体必须流平，有时会用反向凹版来改善流平，或用光滑辊消除辑的花纹图案。

刻在辊上的坑的深度限制了转移到片幅上的液体数量，所以不同的刻花银涂布量也不同。凹版辑涂布可用于长期运行精确薄层涂布，其涂布精度比其他方法更精确。

四、挤压涂布机-浆料

挤压涂布所涉及的是从涂布头内部扁平通道端部流出涂层的涂布，条缝通道非常靠近片幅，流体从狭缝排除形成涂珠，再由片幅带走，常常在涂珠下施加负压以使涂珠稳定，因此涂层厚度可以很好地控制。目前在钾电行业涂布过程中，由于涂层较厚，涂布速度较慢，目前尚未超100m/min,所以未采用负压装置。

挤压涂布核心是挤压涂布头腔体结构与浆料流变性的配合，浆料经过泵输送到涂布头腔体中，由于挤压涂布头唇口间隙较小，浆料会受到较大流动阻力，浆料将会在腔体中进行填充，填充满之后再流经唇口涂覆在基材上。在这个过程中，要求刀模变形尽可能小，目的是为保证涂覆的一致性。 (腔体压力变化影响走带方向涂覆的一致性)

挤压涂布采用螺杆泵供料，其特点是供料稳定，耐磨损，输出压力比较大。螺杆泵结构示意图如下。螺杆泵采用的是伺服电机。过滤器采用的是PP材质深层过滤器。挤压涂布头分为上下两部分，下刀模有凹槽。挤压涂布使用特殊高强度钢材制作，要求具有将强的抗形变能力。挤压涂布烘箱前段采用的是主动过辊，中间后部分采用的悬浮烘箱，其特点是膜片不予上下风嘴接触，依靠上下吹风的压力差悬浮。

挤压涂布的KPIV与KPOV:

如图所示为常规挤压涂布之模具 (die)及垫片，挤压涂布die为T-die设计其母模共有两个分流管，以保证横向流量能够保持均匀:垫片的流道宽度可依据需要做不同设计。

挤压涂布的KPIV主要有:

①涂布间隙

②狭缝间隙

③流道宽度

④流量(泵速)

⑤涂布速度

实际涂布过程中，我们一般固定狭缝间隙及流道宽度(垫片尺寸决定的)进而调整涂布间隙、泵速和涂布速度来得到我们想要的结果。

（1）涂布间隙指涂布唇口到背辊的距离，亦是涂珠存在的区域。减小涂布间隙更多的是将浆料向两边挤压，从而显著增加涂布宽度，同时涂布重量也会随之略有下降。间隙过大，涂布漏金属严重;间隙过小，涂布垂流，甚至涂布原理发生变化。所以想要提升涂布品质，涂布间隙一定要控制。

（2）螺杆泵为一容积泵，定量精度高，一般对于固定浆料给定泵速下流量基本保持一定。流量越高重量越重，宽度越宽。

挤压涂布边缘削薄

正常涂布出的膜片后期在表面张力的驱使下会形成厚边的现象，无法正常收卷。因此正常涂布时我们会对涂膜进行削薄处理。

目前挤压涂布的边缘削薄一般靠垫片倒角控制图(b)显示了倒角尺寸a和b会影响边缘削薄形状。

五、涂布外观

1、凹坑

典型凹坑图片如图所示，其中心区域因厚度较周边厚度偏薄，冷压后颜色较深，周边因压实密度较大，表现为亮圈。关于具体情况，可将其分为四类:

1)纤维类:

2)块状异物类

3)微小异物类;

4)无异物类

前三类对应的问题是表面张力问题:低表面张力的异物导致浆料从低表面张力处流向高表面张力处。针对表面张力类我们可以通过提高粘度或添加IPA等低表面张力物质来解决。

第四类主要问题是由于浆料中含有气体或输送过程中产生的气体

2、开裂

涂布开裂主要发生在负极。冷压前肉眼一般难以识别，通过CCD可看到裂纹一般为30-60um之间，冷压后裂纹表现为光亮的条痕，严重时有手感。

裂纹位置:B面极片中间一A面极片在涂布B面时出烘箱后中间区域出现裂纹。

膜片在MD方向受到张力的拉扯作用，并由于薄膜-与基材间的应力作用产生弯曲。膜片中间区域弯折处膜片因韧性不足产生裂纹。另外在过辊时卷曲的边缘处膜片被掰平，此时同样因膜片韧性不足，产生裂纹。一方面可以从根源上减小膜层干燥过程中产生的应力，另一方面可以增加极片韧性，帮助其抵抗这种变形。一般可选择添加水等小分子溶剂作为增韧剂来改善此类问题。

六、总结

涂布工序监控工艺标准重点:面密度、尺寸、外观、粘结性、失重率

①泵速、螺丝调整合适保证面密度合格、一致

②尺寸错位需要主操、品质加强巡检

③温度风速调合适保证外观、粘结性、失重率合格

浆料接受需严格按照工艺标准:粘度、细度、固含量、稳定性。