### 锂电池涂布技术

一、什么是涂布

锂电产业整体布局可高度归纳为

上游配件厂——锂电生产厂——组装pack厂——总成汽车厂四个环节；

而在锂电生产厂这一环节，核心瓶颈工序为锂电池极片涂布工艺；

综合统计电池生产整个环节、涂布工序所造成的不良异常影响占整个电池工艺的50%以上；

涂布工序过程控制为电池制造的重中之重。

如下锂电制造过程示意图，对于每家锂电公司来说，工艺路线大同小异

而在整个电池工艺生产线中，涂布价值占比无疑是最大的，可谓是重中之重，大家都说电池做得好不好，还要看涂布效果行不行，不无道理

涂布原理：

涂布机顾名思义是一种将成卷的基材如纸张、布匹、皮革、铝箔、塑料薄膜等，涂上一层特定功能的胶、涂料或油墨等，并烘干后收卷的机械设备。

如此次疫情期间口罩生产所需的喷绒布制作即可理解为通过涂布工艺来成型。

其存在在国家工业制造方方面面，此处特指将动力锂电池原料涂覆在电池导电基材上面的一种设备，通过此涂布方式来生产制造锂电池正负极极片。

从工艺流程来讲涂布是电芯制备过程中关键工序、从设备价值来讲也是电芯制备过程中关键工序(高端系列售价过千万)、从非线性控制角度来讲更是电芯制备过程中关键工序；

涂布的均匀性、一致性、对齐性、烘烤稳定、粘结剂扩散性、面密度稳定性等都于此息息相关；

涂布质量的好坏直接关系到电池质量的优劣，同时锂离子电池由于体系的特点使得其对水分十分敏感，微量的水分就有可能会对电池的电性能产生严重的影响(811系列更明显)；

涂布性能的高低直接关系到成本、合格率等切实指标。

二、涂布线体及工艺

1、涂布类型

目前锂电行业涂布主要有 转移式涂布机与挤压（夹缝）式挤压涂布机两种方式

（1）转移式涂布

关键结构：刮刀、涂布辊、背辊；

工作原理：涂布辊转动带动浆料，通过调节逗号刮刀与涂布辊之间的间隙来控制浆料转移量，背辊和涂布辊方向相对转动将浆料转移到移动的箔材上形成涂层；

优势：技术相对比较成熟；对浆料粘度要求不高，容易调节涂布参数；无堵料风险；

不足：1）浆料完全裸露于空气中，导致浆料物性变化，其涂布一致性无法保证；2)刮刀口物料极易吸收结块形成颗粒，造成涂布划痕，严重时会导致整体重量偏轻

（2）挤压式涂布

关键结构：挤压涂布模头、涂布辊、胶辊；

工作原理：作为一种精密的预计量涂布技术，涂布时由特制的挤压模头将浆料沿狭缝挤出涂布在移动的箔材上，通过挤压模头型腔结构和狭缝宽度调节均匀性和厚度；

优势：1）涂布上料装置完全封闭，隔离了外界的污染物；2）浆料利用率高、能够保持浆料性质稳定；3）能适应不同浆料粘度、固含量以及溶剂系统；4）涂布速度快、精度高、湿厚度均匀；

不足：设备成本高；对操作人员技术知识要求高，安装和操作要求高；涂布模头维护成本高

综上所述，与转移式涂布相比，狭缝式挤压涂布在提高生产效率，提高浆料利用率、减少涂布残次品率和提升锂电池整体性能等方面优势更加明显，更能适应高产能、高效率、高精度的市场需求。

所以本文主要讲解挤压式涂布工艺。

2、设备组成及关键结构

设备共由五大部分组成：放卷单元、涂布单元（含供料系统）、干燥单元、出料单元、收卷单元。涂布机单元构成如图所示。

（1）放卷单元

放卷方式有自动接带方式和手动接带方式两种。这里讲解手动接带方式

待生产的成卷材料安装于放卷轴上，经过纠偏及张力控制后，导入涂工部分。该装置的主要控制点为放卷纠偏及张力。

纠偏由专用的EPC控制单元实现，超声波位置检测传感器（可实现对透明箔材的检测）实时检测材料边缘的位置，通过电机驱动放卷装置左右移动，以适合材料的边缘与纠偏传感器的相对位置恒定。

纠偏模式分为三种：全自动，控制系统通电后即进入自动纠偏状态（根据纠偏传感器决定驱动电机的运动）；半自动，系统在自动运行时（涂布、牵引）进入自动纠偏状态，而处于停止状态时则进入手动纠偏状态；手动，无论系统处于何种状态，纠偏机构仅可以手动点动操作。

张力控制分为浮辊位置控制及实际检测张力控制两部分。浮辊位置控制原理为：当系统自动运行时，PLC控制器根据电位器反馈的实时浮辊位置信号(0%~100%)，以PID算法调节放卷轴电机的转速，以达到浮辊位置恒定（默认设定位置为50%）。

实际检测张力控制可分为三种调节模式，即手动设置电空变换阀的输出比例、开环给定电空变换阀、闭环给定电空变换阀。其中，系统自动运行后，会清除手动状态，切换到自动调节模式。闭环给定模式下，控制系统会根据实测的张力值及设定的张力值进行PID调节，直到实测值与设定值一致。需要注意的是，仅当浮辊实际位置与设定位置的偏差在±20%以内，闭环给定模式才起作用。

（2）涂布单元及供料和间歇阀系统

涂布单元

由放卷导入的材料进入涂布辊后，经过入料压辊进行张力隔离（放卷张力与出料张力隔离），再由涂布辊，最后导出到干燥炉内。该装置的主要控制点为整机速度的稳定性、模头与背辊之间的缝隙值。

整机的线速度由背辊提供，速度由HMI设定，可分为涂布速度、倒带速度、点动速度。涂布速度即为系统涂布或者牵引时箔材的速度，倒带速度为整机自动反转运行时的速度，点动速度为手动点动某一个部件时的速度，比如点动背辊、点动放卷轴。

模头与背辊之间的位移由两部分驱动。大范围移动通过气缸实现（前进、后退），精确定位由左右两侧的伺服马达驱动（高精度光栅尺检测实际的位移，分辨率0.1μm）。

供料系统

供料系统包含储料罐、计量泵、除铁器、过滤器及连接的管道。首先将浆料加到储料罐中，在涂布开始后，储料罐里的浆料在计量泵的作用下，经过连接的管道，除铁器及过滤器进入到SLOT DIE进行涂布。在液位传感器检测到储料罐的浆料达到规定液位时，开始对储料罐进行加料。当浆料达到规定的液位时，液位传感器给出指令停止对储料罐进行供料。

间歇阀系统

通过进料阀及回料阀实现对SLOT DIE的涂布供料，并监控涂布压力及回流压力，回流压力用于间歇涂布。间歇阀系统如图所示。

（3）干燥单元

由涂布单元生产的含有液态溶剂成分的浆料和箔材一起进入干燥炉内，为了安全有效地蒸发掉溶剂，需要控制各段干燥炉的温度、送风量、排风量等。

（4）出料单元

干燥后的箔材进入出料装置。由出料装置控制干燥炉内的张力及箔材边缘位置。该装置的主要控制点为干燥区域纠偏及张力。纠偏与放卷单元（2.1部分）相同。出料张力控制为电机转速控制，根据目标张力和实测张力进行PID运算，并调节出料电机的转速，以此达到张力恒定的效果。

2.5 收卷单元

收卷方式有自动接带方式和手动接带方式两种，这里讲解手动接带收卷方式。生产完成的卷材经过纠偏及张力控制后，导入收卷轴。该装置的主要控制点为收卷纠偏及张力。在收卷过程中，为了使箔材层与层之间不打滑，防止材料收卷时过紧或者出现抽芯现象，需要对收卷张力进行锥度调节。

3、设备选择

（1）设备选择原则

1)安全第一。由于我们涂布机正极有NMP有机溶剂，所以防爆要求很严格，要符合行业标准《锂离子电池工厂设计标准》(GB 51377—2019)。

2)保证电池的安全性能，防止金属异物产生。由于锂电池生产过程中最怕金属异物混入，所以和浆料及极片接触或近距离的部分不能使用铜、锌、锡；如果需要金属表面防护，优先选择顺序是：烤漆、镀镍、镀铬。这里推荐烤漆是最好的防护，和浆料近距离接触的部件可以使用镜面级不锈钢板来做表面的防护，另外还要做好除去金属磁性物的措施，例如浆料和烘箱及基材的除磁处理。

（2）部分设备及参数的选择

1)涂布方法

目前主要是使用狭缝模头涂布方法。

2)涂布模头的选择

①由于电池浆料是非牛顿流体，所以首先需要对浆料做流变参数测试，通常使用专用的流变仪来完成，根据流变参数计算和仿真结果来设计模头的流道形状保证涂布的精度。

②推荐模头安装角度为向上25°仰角安装，这样可以在清洗模头后使用时快速将管道及模腔内空气排出，不能使用模头回流管道替代排气功能。

3)上料泵的选择

通常是使用计量精度高的螺杆泵，根据流量的大小来选择泵的规格和型号，为了提高泵送精度推荐使用双泵结构，这样脉动小且精度高。

4)烘箱的选择

①烘箱总长度及单节烘箱长度。通常先确定烘箱单节长度，推荐烘箱单节长度不要低于4m，干燥速度越快单节长度就越长，但是要考虑运输和装配的科学性，推荐单节烘箱长度最大不要超过5m，烘箱总长度的确认是要根据使用方的干燥工艺和涂布速度等一系列的参数经过验证后来确认，通常是使用方给出这个指标，设备制造厂家来满足工艺参数。

②烘箱干燥的温度范围。推荐温度为室温至140℃之间，如果工艺有特殊要求可以定制，一般最高温度不超过160℃。

③烘箱的干燥风速范围。推荐使用5～20m/s，全部喷嘴精度在±20%以内。

5)基材在烘箱中的传输方式

①铜箔／铝箔基材的厚度大于6～10μm时，推荐使用主动导辊和悬浮烘箱相结合方式。

②铜箔／铝箔基材的厚度小于6～10μm时，由于抗拉强度的下降推荐使用主动导辊。

6)干燥加热方式的选择

①如果是NMP作为溶剂，优先选择饱和蒸汽作为热源，其次是热油，不推荐电加热，如果使用电加热建议全补全排方式。

②如果是水做溶剂，以上三种都可以，推荐不分先后。

7)收卷直径的选择

由于放卷直径是根据来料的直径来匹配的，所以这里不做详细说明，但是收卷直径的选择还是有技巧的，推荐根据分切或模切电池单个极片长度累计对应的小卷的长度来决定大卷长度再换算成卷径，计算公式如下：

式中，D为卷料直径；D0为底筒直径；T为极片厚度；L为极片长度。

这样才能增加材料的利用率，减少浪费，降低成本，由于自动化程度的提高，根据公式可以看出增加底筒直径可以更好地增加整卷极片长度，同时也能减小底部极片压力，提高收卷质量。

8)控制系统的选择

通常涂布机是采用PLC作为控制系统的主要器件，推荐使用有工业以太网总线控制为主的器件，数字控制为主，为智能制造打下坚实的基础。

三、涂布主要关键参数

涂布过程中减少涂布缺陷，提高涂布质量和良品率，降低成本是涂布工艺需要研究的重要内容。在涂布工序经常出现的问题是头厚尾薄、双侧厚边、点状暗斑、表面粗糙、露箔等缺陷。头尾厚度可以通过涂布阀或间歇阀的开关时间来调整，厚边问题可以从浆料性质、涂布间隙调整、浆料流速等方面改善，表面粗糙不平整有条纹等可以通过稳定箔材、降低速度、调整风刀角度等改善。

（1）基材-浆料

浆料基本物性与涂布之关系:实际工艺过程中，浆料的粘度对涂布效果有一定影响，电极原材料，浆料配比比例，选取粘结剂种类不同时所制备的浆料粘度也不同。浆料粘度太高时，涂布往往无法连续稳定的进行，涂布效果也受到影响。

涂布液的均匀性、稳定性、边缘和表面效应受到涂布液的流变特性影响，从而直接决定涂层的质量。采用理论分析、涂布实验技术、流体力学有限元技术等研究手段可以进行涂布窗口的研究，涂布窗口就是可以进行稳定涂布，得到均匀涂层的工艺操作范围。

（2）模头的重要性

决定涂布质量的因素主要包括：涂布头与基带的间隙、流量、基材速度、涂布头结构、流体特性等。根据图示原理图及推导公式可知涂布厚度与涂布头与基带的间隙、流体粘度、基材速度、涂布头唇口尺寸、流体及外部压力有关。由公式可知，涂布头与基带的间隙为机械配合、流体粘度跟来料浆料有关、基材速度为电机控制、涂布头唇口尺寸由涂布头决定，以上因素比较容易保证一致，影响涂布质量厚度均匀性就突出表现在流体及外部压力，外部压力一般为室内常压，则涂布头唇口内及出口处的压力均匀性就显得异常重要。涂布头唇口内及出口压力分布均匀性与供料系统稳定性和涂布头结构有很大的关系。

（3）基材-铜箔和铝箔

表面张力：铜铝箔的表面张力必须高于所涂覆的溶液的表面张力，否则溶液在基材上将很难平整地铺展开而导致比较差的涂布质量。一个需要遵守的原则是：所要涂覆的溶液的表面张力应该比基材的低5dynes/cm，当然这只是粗略的。溶液和基材的表面张力可以通过配方的调整或者基材的表面处理来调整。对两者的表面张力测量也应当作为一个质量控制的测试项目。

厚度均匀：在类似于刮刀式涂布的工艺中，基材横幅面厚度不均匀，会导致涂布厚度的不均匀。因为在涂布工艺中，涂布厚度通过刮刀和基材的之间的间隙控制。如果在基材横向上，有一处的基材厚度比较低，那么通过该处的溶液就会更多，涂布厚度也会更厚，反之亦然。如果从测厚仪中看到如下基材的厚度波动，那最终涂出来的膜厚波动也会呈现同样的偏差。另外横向厚度偏差还会导致收卷的缺陷。所以为了避免这种缺陷，原材料的厚度控制很重要

静电：在涂布线上，涂在放卷及经过辊筒时会在基材表面产生很多的静电。产生的静电有很容易吸附空气及辊筒上的灰层，从而造成涂布缺陷。静电在放电的过程中，同样在涂布表面上会造成静电状的外观缺陷，更严重的甚至会引起火灾。如果在湿度较低的冬天，涂布线上的静电问题会更凸显严重。减少此类缺陷的最有效办法就是尽量保持环境湿度在一个比较高的状态，对涂布线接地，并且装一些抗静电的装置。

清洁度：基材表面上的杂质会导致一些物理性的缺陷，如突点，污质等。所以在基材的生产工艺中需要比较好的控制原材料的清洁度。在线的膜清洁辊是一个比较有效的去除基材杂质的方法。虽然并不能去除所有的膜上的杂质，但是可以有效的提高原材料的质量，降低损失。