淺談折返式雙面擠壓精準涂敷技術在鋰電池極片涂布系統中的應用

張冠煒

（佛山市金銀河智能裝備股份有限公司，廣東 佛山 528100）

鋰離子電池（簡稱鋰電池）產業市場巨大，現有裝備技術水平已經不能滿足電池生產工藝的需求，需要研發能提升鋰電池極片制造核心技術和關鍵工藝水平，解決行業技術難題，突破行業瓶頸，推動極片制造過程智能化、連續化。

目前，國內鋰電池生產廠商常采用單面擠壓式涂布機或刮板式涂布機進行鋰電池極片涂布，受涂敷方式及干燥效率影響，上述兩種涂布機的最大涂布速度僅有15m/min，涂布面密度精度誤差約為±2%，涂布面厚度精度只能達到±4μm，涂布機的涂布精度不高直接導致了其難以生產出高品質、性能一致的鋰電池極片。由于單面擠壓式或刮板式涂布機涂布速度慢，鋰電池生產廠家為滿足市場需求，必須投入多套涂布設備長時間運轉生產，而相應地需增加場地及人員投入，不利于降低生產成本。此外，單面擠壓式和刮板式涂布機不能在同一個操作流程中完成正面以及反面涂布，需分步進行正、反兩面涂敷與烘干，干燥效率低，能耗大，容易出現涂層外干內濕或表面開裂等問題。

1 生產鋰電池的涂布過程

放卷輥、涂布輥、牽引輥、烘箱和收卷輥等是涂布機主要的機械結構。完整的生產過程：在放卷輥上放置待涂的基帶，隨后在導向輥的作用下，基帶被拉到涂布輥與橡膠輥的中部，緊接著，基帶在張力輥的的作用下緊壓與涂布輥上，并通過螺桿泵將料池中的漿料定量穩定地輸送到擠壓涂布頭中，漿料在涂布電機轉動過程中會吸附在基帶表面，隨后牽引電機將涂好的潮濕基帶送入烘箱中完成干燥作業，涂料在出烘箱后呈現烘干狀態，最后將收卷輥收成整卷，涂布過程便完成。在新產品開發和產品制造過程中，計算機模擬發揮著越來越重要的作用。通過建立2D或3D模型，對涂布過程進行仿真，掌握涂布規律，能夠可視化涂布工藝，縮短工藝開發時間。

具體的涂布模擬包括擠出模頭內部流場流動過程、漿料在上料系統中的流動過程、涂布過程濕涂層的形成、優化模頭結構、涂布機理研究、改善涂布工藝以及確定涂布窗口等。根據流體力學理論，通過對涂布過程的流場的受力情況和流場表征參數進行計算，我們可以初步判定流場的基本特性，理解涂布過程的現象及涂布缺陷的產生原因。流體力學有限元分析可以直觀看到流體的流動狀態，更形象地理解涂布流動過程。

2 折返式雙面擠壓精準涂敷技術的控制實現

要實現鋰電池極片快速精準涂布，我們必須創新地開發新型雙面涂布工藝，并解決高速涂敷過程中難以穩定精準涂敷以及高效干燥技術難題,為滿足工藝要求，需要對原有的一些控制技術進行改進。

鋰電池正負極折返式雙面擠壓涂布機的工作原理是在成卷鋁箔上涂覆一層正極或負極漿料，涂完第一面后進入烘箱烘干，出烘箱后涂完第二面折返回烘箱烘干，經過烘干后再回收成卷。在控制方式和控制精度的把握上，采用的方法主要有PID控制和糾偏控制。在速度方面啟用PID控制，實現收卷、放卷、牽引等傳動軸與主輥的速度同步。在涂布機張力控制方面啟用PID控制，主要用于實現卷材放卷張力、涂布張力、收卷張力的閉環控制，保證張力誤差正負1N以內，以消除因張力不穩定對涂布精度的影響。與此同時，使用糾偏控制，主要用于實現卷材經過放卷、牽引、收卷等機基仍能保證在一條直線上，防止卷材跑偏，糾偏精度正負0.5mm。為保證A、B面涂布對齊度，引入CCD系統，實時監測A、B面的對齊度，并與B面涂布頭的位置調整伺服形成閉環控制，實時調整B面的涂布位置，以滿足對齊度工藝要求。

3 折返式雙面擠壓涂布機在鋰電池涂布系統中的應用

涂布機主要由放卷部分，第一機頭部分、雙層烘箱部分、第二機頭部分、過渡架部分、牽引部分、收卷部分、傳動系統，氣動系統和電控系統及相應的機構組成。鋰電池極片涂布是指將漿料活性物質定量涂覆在銅箔或鋁箔上并烘干制得復合材料（極片）的生產過程，極片活性物質涂覆量的一致性會直接關系到電池容量、內阻、自放電、安全等一系列重要參數。目前，國內普遍使用單面擠壓式或刮刀轉移式涂布機進行分步涂布，第一面涂布烘干完成后再人工換卷進行第二面涂布烘干，涂布速度僅有15m/min，涂布面密度精度誤差約為±2%，所生產的極片一致性較差，同時，由于所采用的烘箱烘干不均勻、烘干效率低，涂布完成后往往達不到直接輥壓要求，進行輥壓前還需要進行極片烘干。

由于折返式雙面涂布的片材長，片材走帶的張力控制及糾偏難度更大，為解決這個問題，可以采用四段張力控制及自動糾偏模式，采用伺服扭力浮棍和張力傳感器來對放卷、第一面涂覆、第二面涂覆以及收卷進行控制，保證了片材在雙面涂覆過程中張力穩定不跑偏。涂布機頭我們采用高精度擠壓式涂布模頭，擠壓式涂布模頭具有涂覆速度快、精度高、適應漿料范圍廣、調試方便等優點，配合自主研發的螺桿泵、高靈敏度高速閥以及漿料輸送控制系統可實現精確涂布以及定長分段間歇涂布。同時，為進一步提高涂布精度，我們對涂布模頭流道、模頭材料以及隔片進行了特殊處理，并在涂覆過程中采用射線面密度檢測儀實時監控單、雙面的面密度變化，配合閉環控制控制可在線自動調整涂布機頭的設置參數，確保涂覆后極片的面密度誤差≤±1%。

極片涂覆后的烘干效率是影響涂布速度的一個重要因素，為提高涂布速度、降低能耗，并解決烘干后涂層外干內濕或表面開裂等問題，進行懸浮式雙層高效烘箱的開發，該烘箱采用雙層烘干通道結構以及熱風流場穩定設計，配合自主研發的傳動風嘴及漂浮風嘴，可滿足32m烘箱對應30m/min的走帶速度要求。此外，為實現連涂連扎，在極片第二面出箱后增加了紅外線干燥裝置，該裝置能在連續走帶過程中一次性把片材烘干到可以直接進行輥壓的要求。

4 結語

本文介紹了新型折返式雙面涂布工藝在鋰電池極片制造中的應用，其中主要的折返式雙面涂布工藝的設計思路和實現方式。最后，搭建了實體樣機并進行了實驗，對實際應用結果進行了分析。從實際應用方面，該種折返式雙面涂布工藝完全可以投入使用，為后續的動力鋰電池極片涂布系統的研發和應用奠定了一定的基礎。