干貨鋰電池極片擠壓涂布常見缺陷

1、干貨鋰電池極片擠壓涂布常見缺陷目前，電動(dòng)車、儲(chǔ)能電池等新能源產(chǎn)業(yè)在全球范圍內(nèi)發(fā)展迅速。作為公認(rèn)的理想儲(chǔ)能元件，動(dòng)力鋰電池也得到高度關(guān)注。涂布機(jī)是動(dòng)力鋰電池極片的生產(chǎn)關(guān)鍵工藝設(shè)備。目前，鋰電池極片涂布工藝主要有刮刀式、輥涂轉(zhuǎn)移式和狹縫擠壓式等。我在工作過程中，這三種涂布方式都接觸過。一般實(shí)驗(yàn)室設(shè)備采用刮刀式，3C電池采用輥涂轉(zhuǎn)移式，而動(dòng)力電池多采用狹縫擠壓式。刮刀涂布工作原理如圖1所示，箔基材經(jīng)過涂布輥并直接與漿料料槽接觸，過量的漿料涂在箔基材上，在基材通過涂輥與刮刀之間時(shí)，刮刀與基材之間的間隙決定了涂層厚度，同時(shí)將多余的漿料刮掉回流，并由此在基材表面形成一層均勻的涂層。 刮刀類型主要逗號(hào)刮刀。

2、逗號(hào)刮刀是涂布頭中的關(guān)鍵部件之一，一般在圓輥表面沿母線加工成形似逗號(hào)的刃口，這種刮刀具有高的強(qiáng)度和硬度，易于控制涂布量和涂布精度，適用于高固含量和高黏度的漿料。圖1 逗號(hào)刮刀涂布示意圖輥涂轉(zhuǎn)移式涂輥轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)漿料，通過逗號(hào)刮刀間隙來調(diào)節(jié)漿料轉(zhuǎn)移量，并利用背輥和涂輥的轉(zhuǎn)動(dòng)將漿料轉(zhuǎn)移到基材上，工藝過程如圖2所示。輥涂轉(zhuǎn)移涂布包含兩個(gè)基本過程：（1）涂布輥轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)漿料通過計(jì)量輥間隙，形成一定厚度的漿料層；（2）一定厚度的漿料層通過方向相對(duì)的涂輥與背輥轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)移漿料到箔材上形成涂層。圖2 輥涂刮刀轉(zhuǎn)移涂布工藝示意圖狹縫擠壓涂布作為一種精密的濕式涂布技術(shù)，如圖3所示，工作原理為涂布液在一定壓力一定流量下沿著

3、涂布模具的縫隙擠壓噴出而轉(zhuǎn)移到基材上。相比其它涂布方式，具有很多優(yōu)點(diǎn)，如涂布速度快、精度高、濕厚均勻；涂布系統(tǒng)封閉，在涂布過程中能防止污染物進(jìn)入，漿料利用率高、能夠保持漿料性質(zhì)穩(wěn)定，可同時(shí)進(jìn)行多層涂布。并能適應(yīng)不同漿料粘度和固含量范圍，與轉(zhuǎn)移式涂布工藝相比具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。圖3 狹縫擠出式涂布示意圖要形成穩(wěn)定均勻的涂層，涂布過程中就需要同時(shí)滿足這幾個(gè)條件：（1）漿料性質(zhì)穩(wěn)定，不發(fā)生沉降，粘度、固含量等不變化。（2）漿料上料供應(yīng)穩(wěn)定，在模頭內(nèi)部形成均勻穩(wěn)定的流動(dòng)狀態(tài)。（3）涂布工藝在涂布窗口范圍內(nèi)，在模頭與涂輥之間形成穩(wěn)定的流場(chǎng)。（4）走箔穩(wěn)定，不發(fā)生走帶滑動(dòng)，嚴(yán)重抖動(dòng)和褶皺。涂布操作窗口是狹縫

4、涂布一個(gè)重要的工藝參數(shù)，在實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)工藝參數(shù)超出操作窗口的范圍時(shí)，涂布缺陷便會(huì)產(chǎn)生。而涂布膜出現(xiàn)的缺陷種類眾多，原因各異，本文主要針對(duì)鋰離子電池狹縫擠壓涂布，就幾種常見缺陷進(jìn)行分析，并給出相應(yīng)解決方案。常見缺陷有點(diǎn)缺陷、邊緣效應(yīng)、鋸齒缺陷等。1 點(diǎn)狀缺陷1.1 氣孔：一是氣泡產(chǎn)生(攪拌過程、輸運(yùn)過程、涂布過程); 氣泡產(chǎn)生的針孔缺陷比較容易理解，濕膜中的氣泡從內(nèi)層向膜表面遷移，在膜表面破裂形成針孔缺陷。氣泡主要來自攪拌、涂液輸運(yùn)以及涂布過程。1.2 異物縮孔：各種顆粒(灰塵、油污、金屬顆粒等) 產(chǎn)生。外來顆粒的存在導(dǎo)致顆粒表面處的濕膜存在低表面張力區(qū)域，液膜向顆粒周圍發(fā)射狀遷移，形成縮孔點(diǎn)

5、狀缺陷，如圖4所示。預(yù)防措施主要有:涂液過濾除鐵、環(huán)境粉塵控制、基材表面清潔。圖4 異物顆粒處表面張力低，涂液向四周遷移1.3 團(tuán)聚體顆粒凸起：如果漿料攪拌不均勻，導(dǎo)電劑沒有分散開，形成團(tuán)聚體時(shí)就會(huì)產(chǎn)生此類缺陷，如圖5所示，極片表面出現(xiàn)大面積的凸起，放大這些地方觀察，發(fā)現(xiàn)這是導(dǎo)電劑的團(tuán)聚體。這種缺陷主要還是改善漿料攪拌工藝來消除。圖5 團(tuán)聚體顆粒凸起SEM形貌2 線狀缺陷2.1 劃痕：與涂布方向平行的線狀薄區(qū)或漏箔線條，如圖6所示。圖6 涂布極片劃痕缺陷 可能原因 異物或大顆粒卡在狹縫間隙內(nèi)或涂布間隙上 基材質(zhì)量不佳，造成有異物擋在涂輥與背輥的涂布間隙上 模具模唇損傷 對(duì)策 清除唇口或涂布間隙

6、的顆粒、檢查模頭唇口2.2 豎條道：與涂布方向平行的波紋，如圖7所示。圖7 涂布極片豎條道缺陷 可能原因 通常發(fā)生于接近涂布窗口的速度上限，薄涂層更明顯。 對(duì)策 調(diào)整漿料粘度 降低涂布速度 降低涂輥與背輥之間的涂布間隙2.3 橫向紋：垂直于涂布方向，固定間隔所產(chǎn)生的波紋或線條。 可能原因 機(jī)械震動(dòng) 走帶速度波動(dòng) 漿料供料的流動(dòng)發(fā)生周期性波動(dòng) 對(duì)策 確認(rèn)機(jī)械擾動(dòng)頻率與橫紋發(fā)生頻率是否相同3 邊緣效應(yīng)3.1 厚邊：涂布過程，經(jīng)常出現(xiàn)邊緣厚，中間薄的現(xiàn)象，即厚邊。產(chǎn)生厚邊的原因是表面張力驅(qū)動(dòng)下的物質(zhì)遷移。如圖8所示，開始時(shí)，濕膜的邊緣處較薄，溶劑揮發(fā)速度較中間快，導(dǎo)致邊緣固含量迅速升高，邊緣的表面張

7、力遠(yuǎn)大于中間濕膜的表面張力，邊緣處較大的表面張力以及較快的溶劑揮發(fā)驅(qū)動(dòng)內(nèi)側(cè)液體向邊緣移動(dòng)，烘干后形成厚邊。圖8 干燥過程中厚邊現(xiàn)象產(chǎn)生過程涂布厚邊現(xiàn)象是一種不利的缺陷，阻止和緩解厚邊現(xiàn)象的措施有：（1）漿料流量一定時(shí)，減小狹縫尺寸能夠增加漿料在模頭的出口速度，從而降低漿料的拖曳力比值，進(jìn)而減小厚邊涂層的厚度，但是狹縫尺寸變小模頭內(nèi)部的壓力更大，更容易造成模頭出口形狀的膨脹，從而出現(xiàn)涂層橫向厚度不均勻性，這需要更高精度的涂布設(shè)備配合。（2）涂布間隙減小能夠有限減小厚邊涂層的厚度和寬度。（3）降低漿料的表面張力，如添加界面活性劑等，抑制干燥過程中漿料向邊緣的流延。（4）優(yōu)化狹縫墊片出口形狀，改變漿料流動(dòng)速度方向和大小，降低邊緣漿料的應(yīng)力狀態(tài)，減弱漿料邊緣膨脹效應(yīng)。參考文獻(xiàn)：1遲彩霞, 張雙虎, 喬秀麗,等. 狹縫式涂布技術(shù)的研究進(jìn)展J. 應(yīng)用化工, 2016, 45(2):360-363.2MohantyD, Hockaday E, Li J, et al.Effect of electrode manufacturing defects onelectrochemical performance oflithium-ion batt