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鋰離子電池極片涂布工藝全景掃描
2018年03月02日

 鋰離子電池極片涂布工藝全景掃描

    鋰離子電池的生產制造,是由一個個工藝步驟嚴密聯絡起來的過程。整體來說,鋰電池的生產包括極片制造工藝、電池組裝工藝以及最后的注液、預充、化成、老化工藝。在這三個階段的工藝中,每道工序又可分為數道關鍵工藝,每一步都會對電池最后的性能形成很大的影響。

    在極片制造工藝階段,可細分為漿料制備、漿料涂覆、極片輥壓、極片分切、極片干燥五道工藝。在電池組裝工藝,又根據電池規格型號的不同,大致分為卷繞、入殼、焊接等工藝。在最后的注液階段又包括注液、排氣、封口、預充、化成、老化等各個工藝。

    電池制造過程中每道工序都會造成一定的浪費,浪費的原因有員工失誤、設備失誤、環境原因等等,為了保證產品的成本率足夠好,就盡量保證每一步產品都是合格的。

一、涂布的意義

    漿料涂覆是繼制備漿料完成后的下一道工序,此工序主要目的是將穩定性好、粘度好、流動性好的漿料均勻地涂覆在正負極集流體上。極片涂布對鋰電池具有重要的意義,主要體現在以下幾點:

    1.對成品電池容量具有重要意義。在涂布過程中,若極片前、中、后三段位置正負極漿料涂層厚度不一致,則容易引起電池容量過低、過高,更易在電池循環過程中形成析鋰,影響電池壽命。

    2.對電池的安全性有重要意義。涂布之前要做好5S工作,確保涂布過程中沒有顆粒、雜物、粉塵等混入極片中,如果混入雜物會引起電池內部微短路,嚴重時導致電池起火爆炸。

    3.對電池性能一致性具有重要意義。電池廠比較忌諱的是一批電池中,容量差異、循環壽命差異較大,所以在極片涂布過程中要保證極片前后參數一致。

    4.對電池壽命有重要意義。漿料涂覆前后差異大、極片混入粉塵、極片左右厚度不均勻等等,都關系到電池電化學性能的優劣。

    所以,該工藝對漿料涂覆的要求是:在漿料足夠好的情況下,極片活物質前、中、后面密度保持一致,涂布過程中無雜質混入。當然了極片好壞的界定不僅僅是以涂布的效果來決定的,如果極片出現掉粉嚴重、不耐彎折、極片中有白色氣泡等現象,這就是漿料的問題了,需要重新回到第一步進行解決。

二、涂布的方式

    涂布設備主要由收放卷單元、供料單元、張力控制系統、涂布機頭、烘箱等部分組成。涂布可以分為轉移式涂布和擠出式涂布兩種,兩者各有優缺點。

    轉移式涂布:涂輥轉動帶動漿料,通過調整刮刀間隙來調節漿料轉移量,并利用背輥或涂輥的轉動將漿料轉移到基材上,按工藝要求,控制涂布層的厚度以達到重量要求,同時,通過干燥加熱除去平鋪于基材上的漿料中的溶劑,使固體物質很好地粘結于基材上。如圖1所示。

    其優點是對漿料粘度要求不高,容易調節涂布參數,無堵料等,不足之處在對于動力電池來說涂布精度較差,無法保證極片的一致性。漿料在輥間暴露于空氣中,對漿料的性質有部分影響。

    擠出式涂布:上料系統將涂料輸送給螺桿泵,再將漿料動力輸送至擠出頭中,通過擠出形式將漿料制成液膜后涂布至移動的集流體上,經過干燥后形成質地均一的涂層,如圖2所示。其優點是涂膜后極片非常均勻且精度高,涂層邊緣平整度高,密閉操作系統,不受異物影響,適合量產。其不足之處在于設備精度要求高,維護保養要求高,漿料粘度范圍要求高,變換規格時需要更換新的墊片。

三、涂布中注意的問

    涂布過程中減少涂布缺陷,提高涂布質量和良品率,降低成本是涂布工藝需要研究的重要內容。涂布過程中產生的浪費主要是初始調機(跟工藝員操作水平有關)、涂布中斷箔、混入異物等,每次停機都將會產生一定距離的浪費。

    在涂布中常常出現的問題是:原料污染、涂布工藝不穩定、操作不規范、干燥程序設置錯誤等,這些問題常常會造成極片出現以下問題:

    1.點狀缺陷

    主要來自于漿料內氣泡和混入的異物。氣泡可以來自攪拌中脫泡未完全、供料工作過程中或者涂布過程中。異物主要來自于操作時的失誤或環境問題。

    涂布過程中,漿料內部氣泡噴涂在極片上,經過烘箱烘干時,氣泡破裂,在極片上形成白色圓斑。此處活物質涂層較薄,在電池充放電過程中也最易造成微短路。極片中有異物存在時,顆粒周圍涂膜處是低表面張力區域,液膜向周圍呈發射狀遷移,形成點狀缺陷。防止出現此類缺陷的手段主要有:控制操作環境、優化漿料攪拌、控制涂布速度、保證基材干凈。

    2.厚邊缺陷

    極片在輥壓過程中,厚邊承受更大的壓力,不僅造成極片在橫向密度上不同,也會造成厚邊處活物質顆粒被碾碎。存在厚邊缺陷的極片經過壓制后,會出現較嚴重的翹曲現象,對后續的分切、卷繞過程中也會有很大的影響。厚邊處活物質顆粒被碾碎后,在充放電過程中鋰離子和電子的傳輸路徑變遠,則會導致電池內阻增大極化加深,會影響電池的使用壽命和安全。

    同時,由于極片邊部較厚在卷芯內部構成應力集中點,此處極易發生析鋰和微短路,對電池性能也是極為不利的。產生厚邊的原因是漿料表面張力的驅使,使漿料向極片邊緣無涂覆處遷移,烘干后形成厚邊。

    有研究發現,涂布速度對邊緣寬度和高度無顯著影響,邊緣梯度隨著涂布速度增加而增大,減小間隙比( 涂布間隙/膜層厚度),可以降低邊緣效應。相關間隙涂布研究結果表明,通過調整涂布間隙、壓力預調整也可以降低厚邊。利用添加界面活性劑降低漿料表面張力的方法也可一定程度上減少厚邊的發生。

四、未來涂布工藝的發展趨勢

    擠壓式涂布由于具有高精度、涂布均勻、適合較大寬度涂布等優點被廣泛應用于動力電池領域,而其也逐漸取代適用于中試線的轉移式涂布機。未來涂布工藝將向著高設備性能、高稼動率、在線測厚控制精度、提高干燥效率等方向發展。

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