淺談?wù)鄯凳诫p面擠壓精準(zhǔn)涂敷技術(shù)在鋰電池極片涂布系統(tǒng)中的應(yīng)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(jiǎn)稱鋰電池）產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)巨大，現(xiàn)有裝備技術(shù)水平已經(jīng)不能滿足電池生產(chǎn)工藝的需求，需要研發(fā)能提升鋰電池極片制造核心技術(shù)和關(guān)鍵工藝水平，解決行業(yè)技術(shù)難題，突破行業(yè)瓶頸，推動(dòng)極片制造過程智能化、連續(xù)化。

目前，國(guó)內(nèi)鋰電池生產(chǎn)廠商常采用單面擠壓式涂布機(jī)或刮板式涂布機(jī)進(jìn)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(jī)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(dá)到±4μm，涂布機(jī)的涂布精度不高直接導(dǎo)致了其難以生產(chǎn)出高品質(zhì)、性能一致的鋰電池極片。由于單面擠壓式或刮板式涂布機(jī)涂布速度慢，鋰電池生產(chǎn)廠家為滿足市場(chǎng)需求，必須投入多套涂布設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)生產(chǎn)，而相應(yīng)地需增加場(chǎng)地及人員投入，不利于降低生產(chǎn)成本。此外，單面擠壓式和刮板式涂布機(jī)不能在同一個(gè)操作流程中完成正面以及反面涂布，需分步進(jìn)行正、反兩面涂敷與烘干，干燥效率低，能耗大，容易出現(xiàn)涂層外干內(nèi)濕或表面開裂等問題。

1 生產(chǎn)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(jī)主要的機(jī)械結(jié)構(gòu)。完整的生產(chǎn)過程：在放卷輥上放置待涂的基帶，隨后在導(dǎo)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(wěn)定地輸送到擠壓涂布頭中，漿料在涂布電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中會(huì)吸附在基帶表面，隨后牽引電機(jī)將涂好的潮濕基帶送入烘箱中完成干燥作業(yè)，涂料在出烘箱后呈現(xiàn)烘干狀態(tài)，最后將收卷輥收成整卷，涂布過程便完成。在新產(chǎn)品開發(fā)和產(chǎn)品制造過程中，計(jì)算機(jī)模擬發(fā)揮著越來越重要的作用。通過建立2D或3D模型，對(duì)涂布過程進(jìn)行仿真，掌握涂布規(guī)律，能夠可視化涂布工藝，縮短工藝開發(fā)時(shí)間。

具體的涂布模擬包括擠出模頭內(nèi)部流場(chǎng)流動(dòng)過程、漿料在上料系統(tǒng)中的流動(dòng)過程、涂布過程濕涂層的形成、優(yōu)化模頭結(jié)構(gòu)、涂布機(jī)理研究、改善涂布工藝以及確定涂布窗口等。根據(jù)流體力學(xué)理論，通過對(duì)涂布過程的流場(chǎng)的受力情況和流場(chǎng)表征參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，我們可以初步判定流場(chǎng)的基本特性，理解涂布過程的現(xiàn)象及涂布缺陷的產(chǎn)生原因。流體力學(xué)有限元分析可以直觀看到流體的流動(dòng)狀態(tài)，更形象地理解涂布流動(dòng)過程。

2 折返式雙面擠壓精準(zhǔn)涂敷技術(shù)的控制實(shí)現(xiàn)

要實(shí)現(xiàn)鋰電池極片快速精準(zhǔn)涂布，我們必須創(chuàng)新地開發(fā)新型雙面涂布工藝，并解決高速涂敷過程中難以穩(wěn)定精準(zhǔn)涂敷以及高效干燥技術(shù)難題,為滿足工藝要求，需要對(duì)原有的一些控制技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。

鋰電池正負(fù)極折返式雙面擠壓涂布機(jī)的工作原理是在成卷鋁箔上涂覆一層正極或負(fù)極漿料，涂完第一面后進(jìn)入烘箱烘干，出烘箱后涂完第二面折返回烘箱烘干，經(jīng)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(shí)現(xiàn)收卷、放卷、牽引等傳動(dòng)軸與主輥的速度同步。在涂布機(jī)張力控制方面啟用PID控制，主要用于實(shí)現(xiàn)卷材放卷張力、涂布張力、收卷張力的閉環(huán)控制，保證張力誤差正負(fù)1N以內(nèi)，以消除因張力不穩(wěn)定對(duì)涂布精度的影響。與此同時(shí)，使用糾偏控制，主要用于實(shí)現(xiàn)卷材經(jīng)過放卷、牽引、收卷等機(jī)基仍能保證在一條直線上，防止卷材跑偏，糾偏精度正負(fù)0.5mm。為保證A、B面涂布對(duì)齊度，引入CCD系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)A、B面的對(duì)齊度，并與B面涂布頭的位置調(diào)整伺服形成閉環(huán)控制，實(shí)時(shí)調(diào)整B面的涂布位置，以滿足對(duì)齊度工藝要求。

3 折返式雙面擠壓涂布機(jī)在鋰電池涂布系統(tǒng)中的應(yīng)用

涂布機(jī)主要由放卷部分，第一機(jī)頭部分、雙層烘箱部分、第二機(jī)頭部分、過渡架部分、牽引部分、收卷部分、傳動(dòng)系統(tǒng)，氣動(dòng)系統(tǒng)和電控系統(tǒng)及相應(yīng)的機(jī)構(gòu)組成。鋰電池極片涂布是指將漿料活性物質(zhì)定量涂覆在銅箔或鋁箔上并烘干制得復(fù)合材料（極片）的生產(chǎn)過程，極片活性物質(zhì)涂覆量的一致性會(huì)直接關(guān)系到電池容量、內(nèi)阻、自放電、安全等一系列重要參數(shù)。目前，國(guó)內(nèi)普遍使用單面擠壓式或刮刀轉(zhuǎn)移式涂布機(jī)進(jìn)行分步涂布，第一面涂布烘干完成后再人工換卷進(jìn)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(chǎn)的極片一致性較差，同時(shí)，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(dá)不到直接輥壓要求，進(jìn)行輥壓前還需要進(jìn)行極片烘干。

由于折返式雙面涂布的片材長(zhǎng)，片材走帶的張力控制及糾偏難度更大，為解決這個(gè)問題，可以采用四段張力控制及自動(dòng)糾偏模式，采用伺服扭力浮棍和張力傳感器來對(duì)放卷、第一面涂覆、第二面涂覆以及收卷進(jìn)行控制，保證了片材在雙面涂覆過程中張力穩(wěn)定不跑偏。涂布機(jī)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(yīng)漿料范圍廣、調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)，配合自主研發(fā)的螺桿泵、高靈敏度高速閥以及漿料輸送控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)精確涂布以及定長(zhǎng)分段間歇涂布。同時(shí)，為進(jìn)一步提高涂布精度，我們對(duì)涂布模頭流道、模頭材料以及隔片進(jìn)行了特殊處理，并在涂覆過程中采用射線面密度檢測(cè)儀實(shí)時(shí)監(jiān)控單、雙面的面密度變化，配合閉環(huán)控制控制可在線自動(dòng)調(diào)整涂布機(jī)頭的設(shè)置參數(shù)，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(gè)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(nèi)濕或表面開裂等問題，進(jìn)行懸浮式雙層高效烘箱的開發(fā)，該烘箱采用雙層烘干通道結(jié)構(gòu)以及熱風(fēng)流場(chǎng)穩(wěn)定設(shè)計(jì)，配合自主研發(fā)的傳動(dòng)風(fēng)嘴及漂浮風(fēng)嘴，可滿足32m烘箱對(duì)應(yīng)30m/min的走帶速度要求。此外，為實(shí)現(xiàn)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(xù)走帶過程中一次性把片材烘干到可以直接進(jìn)行輥壓的要求。

4 結(jié)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(yīng)用，其中主要的折返式雙面涂布工藝的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方式。最后，搭建了實(shí)體樣機(jī)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)際應(yīng)用結(jié)果進(jìn)行了分析。從實(shí)際應(yīng)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(xù)的動(dòng)力鋰電池極片涂布系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用奠定了一定的基礎(chǔ)。