限制一條鋰電池生產(chǎn)線的產(chǎn)能的工序主要在于混料和涂布

摘要

限制一條鋰電池生產(chǎn)線的產(chǎn)能的工序主要在于混料和涂布。

隨著國(guó)家對(duì)鋰電池廠產(chǎn)品產(chǎn)能的要求越來(lái)越高，鋰電池準(zhǔn)入門(mén)檻也越來(lái)越高。在當(dāng)下的鋰電池領(lǐng)域中，產(chǎn)品的性能、成本決定了一個(gè)鋰電企業(yè)的生死存亡。降低鋰電池生產(chǎn)成本的有效方式是提高鋰電池單條線的產(chǎn)能。

限制一條鋰電池生產(chǎn)線的產(chǎn)能的工序主要在于混料和涂布?；炝霞夹g(shù)目前主要有干法和濕法混料兩種方式，干法混料方式具有時(shí)間短、分散好等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是對(duì)設(shè)備的要求高，對(duì)設(shè)備的損害比較大，產(chǎn)品漿料的性質(zhì)變動(dòng)因素比較多。濕法混料方式在市場(chǎng)上也占有一定比例，其特點(diǎn)是漿料性質(zhì)相對(duì)好控制，對(duì)設(shè)備損傷小，缺點(diǎn)是時(shí)間比較長(zhǎng)。

在涂布方式上，現(xiàn)在鋰電池制造大部分選擇了條縫式擠壓涂布，因?yàn)榇朔N方式屬于預(yù)計(jì)量涂布，且原材料不會(huì)與環(huán)境發(fā)生物質(zhì)交換，防止了漿料的污染。同時(shí)，條縫式擠壓涂布具有可控范圍廣，精度高等特點(diǎn)，非常適合用于鋰電池制造。限制涂布極片產(chǎn)能的地方在于涂布速度，而涂布速度快慢主要還得看漿料成膜質(zhì)量和濕膜干燥速度。濕膜干燥速度主要受到干燥效率，回收效率等影響，提高漿料的固含量也是一個(gè)有效的提高生產(chǎn)效率的方式，據(jù)悉某些鋰電廠家已將正極漿料的目標(biāo)固含量定到了85%以上。當(dāng)然，漿料好做，涂布難涂，高固含量的漿料是否適合涂布還得看涂布設(shè)備。那么久需要熟悉涂布機(jī)的涂布窗口特性。

▲圖1.擠壓涂布頭截面示意圖

圖1是擠壓涂布頭的一個(gè)截面示意圖，漿料涂布的進(jìn)行主要依靠?jī)蓚€(gè)因素一個(gè)是涂珠的壓差即PD-PU，一個(gè)是基材的走帶速度。涂珠壓差大而涂布速度慢時(shí)，上游半月板就會(huì)與基材走帶方向反向運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生涂布缺陷。反之，當(dāng)涂珠壓差小耳涂布速度快時(shí)，則會(huì)混入空氣產(chǎn)生缺陷。所以說(shuō)，在涂布時(shí)存在一個(gè)涂珠壓差范圍，在這個(gè)范圍內(nèi)上半月與下半月能夠穩(wěn)定存在，才能涂出質(zhì)量符合要求的液膜。下面根據(jù)一篇文獻(xiàn)中的例子，說(shuō)明下涂布窗口是如何確定的。

▲圖2.試驗(yàn)裝置示意圖

試驗(yàn)裝置大概如圖2所示，涂布頭與輥?zhàn)拥乃骄€呈30°夾角，此處沒(méi)有涂覆在基材上再經(jīng)過(guò)干燥，而是直接涂在高精度的鋼棍上，在鋼棍邊上安裝有一個(gè)二維激光傳感器系統(tǒng)來(lái)探測(cè)濕膜的形貌，濕膜質(zhì)量好壞以地勢(shì)圖表現(xiàn)出來(lái)。涂布采樣完成后，尾部安裝有刮刀將漿料收回廢料桶。

返回到圖1，定義幾個(gè)字母：G是涂頭和基材間隙值，H是濕膜厚度，U是移動(dòng)速度。另外定義了無(wú)量綱參數(shù)。

G*=G/H——公式(1)

將間隙G設(shè)定為127μm，以此為基礎(chǔ)確定最低的臨界速度和最大的體積流量，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。其中，藍(lán)色方塊代表均一的液膜和穩(wěn)定的涂布調(diào)機(jī)，十字格子和十字代表含有缺陷的涂布參數(shù)。

▲圖3.間隙為127μm時(shí)涂布窗口特性圖(左)間隙為101.6μm時(shí)涂布窗口特性圖

圖中以G*為橫坐標(biāo)，以毛細(xì)管數(shù)量Ca為縱坐標(biāo)。在流體力學(xué)中，常用毛細(xì)管數(shù)和兩相粘度比來(lái)表征預(yù)測(cè)兩相流體中分散相液滴的形變和破裂發(fā)生的程度和可能性。

Ca=η*U/σ——公式(2)

其中η是動(dòng)態(tài)粘度，σ為表面張力。由圖3(左)可以看出，當(dāng)降低G*值和Ca值時(shí)可以得到好的薄膜，而增大G*值和Ca值時(shí)薄膜就會(huì)出現(xiàn)缺陷。當(dāng)G*值最大為1.9時(shí)，仍然可以得到穩(wěn)定的涂層，根據(jù)G值計(jì)算此時(shí)的膜厚為67μm。如果把間隙G設(shè)為101.6μm，需要提高走帶速度才能獲得和左圖一樣的圖形，G*與Ca的關(guān)系如圖3(右)所示。因?yàn)樗俣忍岣吡?，降低間隙后，最小濕膜厚度的值降低到59μm，對(duì)應(yīng)最大G*為1.71。同樣，間隙降低為76.2時(shí)，溫度的濕膜厚度最低降到55μm，對(duì)應(yīng)最大G*為1.39。

通過(guò)以上的例子，可以了解到對(duì)于某種漿料，涂布窗口的確定方法。那么如何將其應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中呢？以下舉兩個(gè)例子：

用法一、在漿料的粘度和與基材的表面張力一定的情況下，可以通過(guò)變換走帶速度和間隙值來(lái)做出類(lèi)似的涂布窗口特性圖，以此確定此種漿料的涂布產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定的大致臨界范圍，超過(guò)此范圍則可能出現(xiàn)涂布缺陷。

用法二、設(shè)計(jì)電芯時(shí)，面密度是一個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)，根據(jù)面密度值、漿料固含量、漿料密度可以計(jì)算得出所需濕涂料的厚度，如果在對(duì)產(chǎn)量有要求的情況下(涂布速度確定)，可以根據(jù)涂布窗口特性圖確定涂布所需的大致間隙。相反，也可以根據(jù)窗口特性選定合適的間隙范圍后，確定涂布速度的臨界值。

除了以上兩個(gè)用法之外，也可以探索出其它的用法，需要注意的是實(shí)際設(shè)置參數(shù)時(shí)需要考慮到涂布設(shè)備的精度、校準(zhǔn)情況等因素進(jìn)行微調(diào)。