热风循环烘箱风量(技术｜涂布工艺中的“风”)

Posted 2023-06-02

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热风循环烘箱风量(技术｜涂布工艺中的“风”)

文章导读：（有点长，希望对您有益！）

涂布机烘箱烘干原理
涂布工艺生产中有哪些“风”
三大类型的风系统有何联系，对生产会造成哪些影响
涂布机烘箱进、排风量计算
干燥工艺参数对极片性能的影响
如何在设计端把控源头，以及在生产中管控好“风”的因素带给品质的困惑？

涂布主要有三个关键的质量控制指标：流平性、干涂量和烘干效果。

涂布流平性、干涂量可以通过频闪仪照射、目视和称重检测等方法来实时监控，并及时调整，而烘干效果则需要溶剂残留检测才能确定质量好坏，时间上比较滞后，不利于批量生产控制，会造成批量不良或报废，所以烘干效果需要产前针对性测试，包括调整好适宜的烘箱进、排风量和适宜的烘箱温度。

而烘干效果的调整，除了烘箱温度调整外，关键是在产前进行烘箱进、排风量的调整，这也是难度最大的。

目前大部分公司的涂布车间机长、主管以及技术人员都没能正确地掌握，也没有具体的方法、规范，所以在环境温度、湿度、涂料、溶剂体系、固含量、网纹辊、胶辊变化等情况下，经常会出现质量问题或不稳定情况，风量过大时还会造成能耗增加。

本文浅谈一下涂布机烘箱热风烘干的原理及进、排风量的估算和相应的调整方法。

涂布机烘箱烘干的原理

干燥是传热并同时除湿的过程，干燥所需的热量是由干燥介质通过对流、传导、热辐射及介电的方式传给被干燥物，物料中的湿分获得热量后变成蒸汽从其中分离出来，最后得到湿含量较低的且达到规定要求的干燥产品。

图1 热风烘干原理示意图

为了对基材全面吹风和干燥均匀，烘箱一般采用夹缝式的V型喷嘴，如图1所示。涂布机的烘干是靠各区喷嘴喷出来的具有一定温度、一定风速的热风，加热涂布膜表面涂层，使涂层内溶剂挥发并被热风带走排出，从而达到烘干的效果。

常规热风干燥方法是最早被广泛采用的方法，设备简单操作易行，热风干燥中热量来源于电能或者蒸汽热能。锂电池极片浆料中活性材料粒度均为纳米级，干燥时颗粒孔道表征直径约为几十纳米，具有毛细多孔介质特性。因此涂布浆料干燥时，溶剂的脱除方式对电极活性材料的均匀分布影响较大。

图2 极片干燥过程微观结构演变示意图，导电剂、粘接剂流动再分配，大小颗粒分层分布

一般采用双面送风漂浮干燥对片材进行双面干燥，干燥效率较高，干燥效果优异，但送风风机功耗较大，送风均匀化控制严格，否则造成涂布厚度均匀度较差，且增大了箔材走带的难度，易发生断带而造成停机。在此基础上，开发的循环热风冲击干燥工作效率较高。此方法将热风高速喷射到涂布浆料表面，削弱了涂布表面的不均匀性，提升了涂布层厚度一致性。实际中通过分段调整风量大小和风温来调节干燥工艺过程，这种设备投资大，维护复杂。

涂布工艺生产中有哪些“风”的因素呢？

图3 涂布涉及风的系统

涂布工艺涉及的风有三类：

1）净化室的风系统

2）涂布机烘箱的风系统

3）废气处理系统

这三大类型风分别的作用是：

1）净化室的风系统作用？

-提供净化处理的空气，杜绝粉尘对功能膜的影响。

-提供合适的温湿度，保证产品的外观性能要求。

涂布净化室基本要求为温度23±5℃，湿度RH 50-60%，重点是涂布头单元的湿度要求更高一些。

如果在净化室的温湿度过大波动会引起哪些问题呢？

-温度过低：涂布液的流平会不好，附着会下降

-湿度过低：涂布膜面会发白，也会引起静电起火事故

-湿度过高：涂布后的膜面会起雾，水珠，外观非常难看

2）涂布机烘箱的风系统，主要包括进风，排风两大体系。

-进风一方面提供胶粘剂固化所需的热量，一方面提供合理的风速满足胶粘剂中溶剂的挥发，避免出现干燥缺陷。

-排风主要是VOCS的合理挥发，同时促进空气流动，提高热效率。

3）废气处理系统，目前主流方式是RTO。

-废气排放指标，根据国家《大气污染综合排放标准》GB-162-97规定VOCS的最高允许排放浓度为120mg/m3。此项指标与RTO设计中的废气停留分解时间是正比例关系，需要关注。

-RTO的换热能力，与涂布产线，RTO的能源消耗直接关系，设计，运行合理对企业的产品成本降低许多。

三大类型的风系统有何联系，对生产会造成哪些影响？

1）三个类型的风相互影响，调试需要综合平衡。

2）烘箱的风影响产品的工艺机速，产品的固化，流平，同时烘箱的内部压力平衡与RTO的排放废气指标，与净化室的能耗指标又有关联。

3）RTO运行的合理，科学，与涂布机烘箱排放的浓度直接相关。

图4

通过图4，以涂布机烘箱风速，温度为基础设定点，同时兼顾烘箱与涂布头，涂布尾净化室空间的风速，风压，在净化空调系统恒定条件下，可以有效改善对净化系统能耗，对净化系统稳定性提高有很大改观。空调系统在调节后，避免了过多“净化风”被吸入烘箱浪费现象，能耗降低。

另外一方面，调节整体烘箱，以及单独烘箱的压力平衡，可以改变进入RTO的废气浓度，对排放指标，以及RTO能源消耗降低有较大帮助。

涂布机烘箱进、排风量计算

涂布机烘箱在完全干燥条件下总排风量估算如下式：

Vn=q/A=(G/Mr)*22.4=［(g*v*ω10-3)/Mr］*22.4 （1）

上式中G=g*v*ω10-3

g=G1*［1-S/(1+α)］

(Ⅰ) 0℃时，V=Vn=q/A；

(Ⅱ) t℃时，V=Vn*（273+t）/273，273-指绝对温度（2）

V—涂布机总排风量(m3/min)；

G—溶剂蒸发量（kg/min）；

g—溶剂涂布量（g/m2）；

v—涂布速度(m/min)；

ω—基材宽度(m)；

q—溶剂gas量(m3/min)；

Mr—混合溶剂平均相对分子量（混合溶剂的平均相对分子量计算：Mr = Mr1*a%+ Mr2*b%+ Mr3*c%，式中Mr1、Mr2、Mr3分别表示混合溶剂中各组分的相对分子量，a%、 b% 、c%分别表示混合溶剂中各组分的物质的量的比例）；

22.4—指1mol气体的体积；

A—溶剂gas浓度（ppm）；

G1—涂料湿涂量（g/m2）；

S—原料固含量（%）；

α—上机涂料的溶剂稀释比例（%）。

另外，以有机溶剂浓度不得超过许可爆炸浓度为准，需保证新风的补充，一般有机溶剂许可浓度为爆炸浓度下限的四分之一，根据有机溶剂许可浓度、有机溶剂排放总量，即可计算废气的标准排放总量（即标准排风总量）：

Q=1000*Gz/N （3）

（即需要补充的标准新鲜空气量=Q-Gz）

上式中

Gz=60*G

N=Mr*Lm/4

Q—废气排放总量(m3/h)；

Gz—有机溶剂排放总量（kg/h）；

N—有机溶剂许可浓度（g/m3）（有机溶剂许可浓度为混合溶剂气体爆炸极限浓度下限的四分之一）。

混合溶剂气体的爆炸极限公式（理.查特里公式）：复杂组成的可燃气体或蒸汽混合的爆炸极限，可根据各组分已知的爆炸极限按下式计算（适用于各组分间不反应，燃烧时无催化作用的可燃气体混合物）：

Lm=100/(V1/L1+V2/L2+ V3/L3+…+Vn/Ln) （4）

式中

Lm—混合溶剂气体爆炸极限浓度下限（%）；

L1、L2、L3…Ln—混合溶剂气体各组分的爆炸极限浓度下限（%）；

V1 、V2、V3…Vn—各组分在混合溶剂气体中的体积分数（%）；

表1 涂布常用溶剂气体的爆炸极限参考值

从安全上考虑，需保证涂布机的总排风量V≥废气标准排放总量Q，即达到公式（3）的计算标准排风量。实际涂布机的总排风量按公式（2）计算。

干燥工艺参数对极片的影响

当前主要的干燥方法依然是热风干燥，干燥时热风风速、风温、涂层厚度、浆料特性以及干燥设备结构均有影响。良好的干燥过程保证了浆料流体均匀涂覆，提高动力电池的一致性，可以保证活性材料的良好分散性，并形成电解液通道，增大活性材料充放电倍率。干燥不良，可能引起涂布层出现团聚、针孔、薄厚不均、划痕、拖尾等各种缺陷。干燥过程操作不当将直接导致动力电池的性能下降，各批次极片一致性变差，严重影响配组工艺段成品率以及模组的循环寿命。涂布层整体干燥时间较短，主要考虑热风温度、风速及浆料固含量（溶剂含量）影响。

5.1 热风温度

在初始阶段对于不同的溶剂所要使用的温度不同，如水系溶剂低温下不易干燥，温度较低，则恒速段维持时间较长。一般水系浆料在热风温度为90℃时，极片干燥速率较快，干燥缺陷较少。

研究发现干燥温度较低时，黏结剂的分布更为均匀，集流体同活性材料的黏结更为牢固。干燥温度较高，不仅容易出现黏结剂局部富集的现象，而且表面平整度较差，造成卷绕工序良品率降低。这是由于过高的温度会使极片表面硬化，导致极片开裂、起皱等。干燥过程中，涂层溶剂不断蒸发，黏度迅速增大，但表层溶剂的迁移速率大于近箔材端。由于表面张力的剧烈变化，易出现蜂窝状网络、厚边缺陷或黏结剂/固体颗粒的团聚。

图5 形成团聚体缺陷

5.2 热风风速

热风干燥时空气流动速度过大就会导致涂层的不均匀，直接影响动力电池的性能，因此在不同阶段要控制好空气的流动速度。一般黏度较低的浆料比黏度较高的浆料更加敏感，为了降低涂布层的流动和破坏，需要用风速低进行干燥。

烘箱风速过大，涂布层容易出现气泡。这是由于涂布烘箱进出风道积尘较多，增大风量（风速）易卷起积尘，散落于湿涂层表面而产生大量气泡。斑状缺陷是形成了花纹状斑点，主要由热风流速不稳定引起。

图6 极片出现凹坑气泡

5.3 涂层厚度

涂布层的厚度主要由电池的充放电及容量特性设计参数而定。涂层较厚，容量较大但充放电倍率受限。涂层较薄，电池充放电倍率大而容量相应受限，且涂布干燥快，涂层缺陷相对较少。

一般认为较厚的涂布层有助于干燥应力的释放，涂层黏结情况较好，涂布较薄，黏结剂等非活性材料偏析较弱。通过干燥后活性材料界面分析发现集流体电阻主要受导电剂分散不均匀的影响，而涂布厚度影响并不明显。如果涂布厚度控制不当，则容易造成褶皱、条纹等缺陷。

图7 极片的条纹缺陷

5.4 浆料特性

浆料的影响主要体现在溶剂的含量、种类以及活性物质的分散特性及黏附特性。极片干燥受涂布工艺影响极大，要求涂布均布，无明显颗粒物。

干燥时，一般前段采取部分回风的方式降低热风的相对干度，避免表层溶剂过快脱除，而后段则要求温度可以适当提高，提升干燥效率，降低溶剂残留。干燥前期浆料流动性大，溶剂特性影响干燥过程，活性物质在分散过程中出现颗粒重排过程。干燥后期溶剂含量低，涂布层基本失去流动性，活性物质的分散性以及黏结剂是影响后期干燥的主要因素。

通常黏结剂的分散性受干燥速率影响，操作不当则团聚明显，这可能是由于溶剂大量蒸发带动黏结剂富集。

极片干燥涉及多相物质在不同尺度的传输，具有物理过程复杂、干燥工艺多元化特性。干燥过程中涂层黏结剂的聚集方式受干燥工艺影响较大，活性材料团聚体形成的微孔通道在不同尺度具有不同的输运过程。实际中涂布浆料性能、涂布方式以及辊压等后续制造过程需综合考虑。

如何在设计端把控源头，以及在生产中管控好“风”的因素带给品质的困惑？

A,结构上采用双层隔间设计，气流组织采用合理布局，对生产的能耗，局部空间的温，湿度稳定有良好效果。

图8

B,在设计净化涂布单元时，除了考虑空气焓湿图的关系外，很多评估中遗忘了“敞开供液”条件下，溶剂挥发的影响，对人员和局部空间安全隐患极大。

表2 现场检测自然挥发的VOCS浓度

在此处设计中参考《非标准机械设备手册》溶剂自然挥发速度计算，

Q=3600xSxV

Q-每小时排风量

S-溶剂敞口面积

V-溶剂挥发速度，0.5-0.7m/s，当室内净化风速为0.8-1.5 m/s时。

那么在整体局部空间进风，排风中要增加一部份风进行补偿。

3）综合体系调节步骤，可以参考以下流程：

表3

表3只是工艺系统管控的一个部分记录。在整个体系建立中，需要付出大量的努力，以建立产品与相关各部分的联系，形成自己产品与设备结合的数据库。量化的目的，也是为了准确的把握问题，彻底解决问题。

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参考来源：

1.锂电池极片涂布热风干燥技术研究进展，田清泉、王静怡、武利娜、胡苗、刘甜、张亚雄（当代化工）；

2.锂电池极片真空干燥工艺研究，高士强（现代制造技术与装备）；

3.锂离子电池极片涂布和干燥缺陷研究综述，杨时峰、胥鑫、曹新龙、邵乐、田占元（电源技术）；

4.锂离子电池极片涂层的热风干燥特性，吴显峰、李徐佳、王亚男（电池）。