新能源鋰離子電池雙層高速擠壓涂布設(shè)備的改進(jìn)設(shè)計(jì)分析

摘 要： 當(dāng)前傳統(tǒng)的新能源鋰離子電池生產(chǎn)線的涂布工序存在工作效率低，涂布不均等問題，影響了整個(gè)生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率與進(jìn)度。為此，需要開發(fā)一種高效率的雙層高速擠壓涂布設(shè)備。文章結(jié)合新能源鋰離子電池雙層高速擠壓涂布設(shè)備項(xiàng)目，主要從涂布系統(tǒng)與干燥系統(tǒng)分析了雙層高速擠壓涂布設(shè)備的改進(jìn)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，期望為同類設(shè)備的開發(fā)提供借鑒。

關(guān)鍵詞： 涂布裝備;設(shè)計(jì);涂布系統(tǒng);干燥系統(tǒng)

一、 引言

隨著社會(huì)對(duì)新能源電池需求的不斷加大，社會(huì)對(duì)新能源電池生產(chǎn)設(shè)備的需求也不斷加大。涂布工藝是實(shí)現(xiàn)新能源鋰離子電池生產(chǎn)的重要工序，雙層高速擠壓機(jī)設(shè)備是實(shí)現(xiàn)該工序的核心設(shè)備。傳統(tǒng)的雙層高速擠壓機(jī)設(shè)備難以滿足現(xiàn)代自動(dòng)化生產(chǎn)需要，例如涂布不均勻、收放卷工作不穩(wěn)定，出現(xiàn)未烤干粘輥現(xiàn)象等。文章結(jié)合新能源鋰離子電池雙層高速擠壓涂布設(shè)備項(xiàng)目，主要從涂布系統(tǒng)與干燥系統(tǒng)分析了雙層高速擠壓涂布設(shè)備的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，解決現(xiàn)有涂布設(shè)備作業(yè)過程中存在的問題。

二、項(xiàng)目概況

雙層高速擠壓機(jī)涂布設(shè)備是新能源電池生產(chǎn)中的核心裝備，其主要的作用是可以將含有活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑及黏結(jié)劑的漿料均勻的涂覆在集流體上，這是電池外層的重要保護(hù)涂裝，也是多層電池生產(chǎn)中核心裝置。在完成涂覆之后，將集流體放置在烘箱內(nèi)進(jìn)行烘烤，隨后在干燥之后可以形成后鋰離子電池的正負(fù)極極片。為改善現(xiàn)有涂布設(shè)備存在的涂布不均勻、出現(xiàn)未烤干粘輥現(xiàn)象、效率不高等問題，公司開展雙層高速擠壓涂布設(shè)備改進(jìn)設(shè)計(jì)項(xiàng)目，研究者主要負(fù)責(zé)該項(xiàng)目涂布工序雙層高速擠壓機(jī)設(shè)備開發(fā)的需求分析，概念設(shè)計(jì)，方案評(píng)審，設(shè)備現(xiàn)場安裝調(diào)試，驗(yàn)收，問題優(yōu)化改善等工作。

三、雙層高速擠壓機(jī)設(shè)備系統(tǒng)分析

雙層高速擠壓機(jī)設(shè)備在構(gòu)造上主要包括以下幾個(gè)部分構(gòu)成，包括有：收放卷系統(tǒng)、糾偏系統(tǒng)、供料系統(tǒng)、涂布系統(tǒng)、張力系統(tǒng)、干燥系統(tǒng)等。收放卷系統(tǒng)能夠維持基材運(yùn)行位置的穩(wěn)定，保證基材供料的持續(xù)有效，其核心技術(shù)是將收放卷的張力進(jìn)行科學(xué)有效調(diào)節(jié)，使得張力可以根據(jù)卷徑變化而進(jìn)行相適應(yīng)的調(diào)整變化。糾偏系統(tǒng)能夠維持基材運(yùn)行過程中位置的正確性。供料系統(tǒng)的作用主要是為加工生產(chǎn)單元提供基礎(chǔ)的原物料，該系統(tǒng)包括緩存罐、過濾器、漿料輸送泵。涂布系統(tǒng)是高速擠壓設(shè)備的核心系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)原理是通過伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)將漿料在集流體上的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)均勻涂覆。干燥系統(tǒng)是涂布系統(tǒng)的后處理設(shè)備，主要功能利用烘干機(jī)械將涂布后的極片快速均勻有效的烘烤，從而可以達(dá)到系統(tǒng)所需要實(shí)現(xiàn)的干燥要求。

四、 新能源鋰離子電池雙層高速擠壓涂布設(shè)備改進(jìn)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（一）涂布系統(tǒng)

涂布系統(tǒng)的主要作用是將新能源鋰離子電池所用到的活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑以及黏結(jié)劑進(jìn)行均勻涂覆作業(yè)。為了保證涂覆工藝上的均勻與穩(wěn)定，在涂布系統(tǒng)中需要安裝計(jì)量泵進(jìn)行供料計(jì)量，方便對(duì)供料實(shí)現(xiàn)精確控制。涂布系統(tǒng)采用計(jì)量泵供料，其特點(diǎn)為供料穩(wěn)定、定量且輸出，能夠?yàn)橥坎寄ｎ^提供一個(gè)穩(wěn)定的腔體壓力，為均勻涂布提供條件;涂布供料動(dòng)力系統(tǒng)的壓力大小會(huì)對(duì)涂布厚度和涂布尺寸均有影響。假設(shè)供料動(dòng)力系統(tǒng)的壓力不穩(wěn)定，就難以保證整個(gè)系統(tǒng)涂布效果達(dá)到預(yù)期效果。在動(dòng)力系統(tǒng)的供料過程中，端口所安裝的過濾器也是影響供料品質(zhì)的重要影響要素之一。供料系統(tǒng)在供料后，如無法將漿料中大顆粒物質(zhì)加以過濾，后面在連續(xù)涂覆中就會(huì)使得各類顆粒在局部發(fā)生堆疊，使得涂布不均勻，存在凹凸現(xiàn)象。在實(shí)際涂布加工上要根據(jù)對(duì)漿料的細(xì)致程度來確定系統(tǒng)濾芯的目數(shù)，所選擇濾芯的數(shù)量越大，在此可實(shí)現(xiàn)過濾漿料顆粒的粒徑也會(huì)越小。在涂布執(zhí)行機(jī)構(gòu)方面，需要注意的問題是涂布執(zhí)行過程中，需要保持漿料運(yùn)輸與涂覆中的同等厚度性，避免在該過程中漿料出現(xiàn)黏連，需要實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中，均勻涂布是一個(gè)精確加工的過程，在該系統(tǒng)上會(huì)用到模頭限位的方式來進(jìn)行均勻涂布。模頭與涂布輥是涂布系統(tǒng)的常見問題部位，兩者間距太小的話會(huì)因?yàn)橄嗷ジ缮娑鴮?dǎo)致漿料的不均。如果連接間隙太大的話，又不能實(shí)現(xiàn)兩者作業(yè)的有效聯(lián)動(dòng)，就無法連續(xù)完成涂布作業(yè)，如圖1所示。

在圖1中的涂布模頭與涂布輥的安裝不平行也會(huì)使得極片涂布會(huì)發(fā)生偏斜而受力不均，會(huì)使得極片邊緣不存在削薄區(qū)，不對(duì)稱的收卷電極兩邊發(fā)生嚴(yán)重的鼓邊現(xiàn)象，后期在鋰離子電池埋線中會(huì)使得裸電芯無法進(jìn)入鋁殼，就容易使得電池壽命大大降低，甚至失效。這種工藝問題對(duì)電池生產(chǎn)會(huì)形成較大的損失。對(duì)于這種細(xì)節(jié)，除了各傳動(dòng)部件安裝不對(duì)稱不平行，也是由于傳動(dòng)機(jī)械零件在設(shè)計(jì)上沒有進(jìn)行倒角而造成的。墊片邊緣是直角的設(shè)計(jì)會(huì)使得涂覆供料在無倒角銜接的情況下，出現(xiàn)供料在直角出處被堆積，難以平順進(jìn)入漿料涂布的間隙而被有效擠壓，這樣就更難以有效釋放其內(nèi)部的壓力，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致涂布兩側(cè)在展開過程中出現(xiàn)涂布不均勻現(xiàn)象。對(duì)此，可在墊片邊緣增加相應(yīng)的倒角，倒角的作用不僅可以加大銜接角度，并且可以將原先直角多帶來的壓力得以充分釋放，解決應(yīng)力集中的問題，在原有的基礎(chǔ)上較大程度地降低耗損。

（二）干燥系統(tǒng)

干燥系統(tǒng)的原理主要是通過熱輻射進(jìn)行的，在干燥系統(tǒng)中以烘箱為主要干燥措施加以熱輻射烘干，其干燥程度通過溫度傳感器來加以控制。烘箱的加熱方式是通過電加熱、蒸汽加熱及熱煤油等方式來實(shí)現(xiàn)熱傳遞;在烘箱結(jié)構(gòu)上的表現(xiàn)形式是通過前端的主動(dòng)過輥來對(duì)被烘干物品進(jìn)行持續(xù)烘干作業(yè)的，在中后部分則主要通過懸浮烘箱來進(jìn)行烘烤。該結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)建膜片不通過上下風(fēng)嘴接觸，而是依靠上下吹風(fēng)的壓力差克服重力進(jìn)行懸浮運(yùn)行的。干燥系統(tǒng)在參數(shù)設(shè)定上，需要根據(jù)涂布作業(yè)后的涂覆材料狀態(tài)來確定。項(xiàng)目電極在烘箱中發(fā)生過烘烤開裂，或者是未烤干粘輥等不良現(xiàn)象，對(duì)此，需要設(shè)計(jì)合適的溫度及風(fēng)量參數(shù)。項(xiàng)目在整段烘箱加熱的工藝中應(yīng)該分成四段，分別為升溫加熱、恒溫加熱、降溫加熱、冷卻四步。每步烘箱的設(shè)定溫度，循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，新風(fēng)的供給以及排風(fēng)的大小直接影響到極片的烘干程度和質(zhì)量。經(jīng)過不斷地實(shí)驗(yàn)和調(diào)整，設(shè)計(jì)出合適的溫度及風(fēng)量參數(shù)，解決了烘烤開裂與未烤干粘輥的問題，保證了系統(tǒng)的烘干效果。

五、結(jié)論

文章針對(duì)傳統(tǒng)鋰離子電池雙層高速擠壓涂布設(shè)備涂布效率慢，涂布效果差等問題，開展了涂布系統(tǒng)的綜合改進(jìn)設(shè)計(jì)探究。項(xiàng)目通過在墊片留到邊緣增加適當(dāng)尺寸的倒角，對(duì)烘干工藝設(shè)計(jì)合適的溫度及風(fēng)量參數(shù)，保證了設(shè)備的涂布質(zhì)量與烘干質(zhì)量，有效實(shí)現(xiàn)了該生產(chǎn)線的預(yù)期生產(chǎn)目標(biāo)，為同行在該方面研究提供了參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]程璽儒.非平衡磁控濺射離子鍍制備TiAlN薄膜及其性能研究[D].成都：西華大學(xué)，2017.

[2]薛瑩潔，陳海峰.磁控濺射鍍膜中鈦靶冷卻系統(tǒng)的仿真與優(yōu)化[J].鈦工業(yè)進(jìn)展，2017，34（2）：38-44.

[3]唐美.涂布設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)[J].紙和造紙，2002（6）：29-31.

作者簡介：? 張略，江蘇塔菲爾新能源科技股份有限公司。