如何確定聚合物鋰電池漿料的涂布窗口？

　　隨著國家對鋰電池廠家產(chǎn)品產(chǎn)能的要求越來越高，鋰電池準(zhǔn)入門檻也越來越高。在當(dāng)下的鋰電池領(lǐng)域中，產(chǎn)品的性能、成本決定了一個鋰電池廠家的生死存亡。降低鋰電池生產(chǎn)成本的有效方式就是提高鋰電池單條線的產(chǎn)能。

　　限制一條聚合物鋰電池生產(chǎn)線的產(chǎn)能的工序主要在于混料和涂布?；炝霞夹g(shù)目前主要有干法和濕法混料兩種方式，干法混料方式具有時間短、分散好等優(yōu)點，缺點是對設(shè)備的要求高，對設(shè)備的損害比較大，產(chǎn)品漿料的性質(zhì)變動因素比較多。濕法混料方式在市場上也占有一定比例，其特點是漿料性質(zhì)相對好控制，對設(shè)備損傷小，缺點是時間比較長。

　　在涂布方式上，現(xiàn)在聚合物鋰電池制造大部分選擇了條縫式擠壓涂布，因為此種方式屬于預(yù)計量涂布，且原材料不會與環(huán)境發(fā)生物質(zhì)交換，防止了漿料的污染。同時，條縫式擠壓涂布具有可控范圍廣，精度高等特點，非常適合用于聚合物鋰電池制造。限制涂布極片產(chǎn)能的地方在于涂布速度，而涂布速度快慢主要還得看漿料成膜質(zhì)量和濕膜干燥速度。濕膜干燥速度主要受到干燥效率，回收效率等影響，提高漿料的固含量也是一個有效的提高生產(chǎn)效率的方式，據(jù)悉某些鋰電池廠家已將正極漿料的目標(biāo)固含量定到了85%以上。當(dāng)然，漿料好做，涂布難涂，高固含量的漿料是否適合涂布還得看涂布設(shè)備。那么久需要熟悉涂布機(jī)的涂布窗口特性。

圖1.擠壓涂布頭截面示意圖

　　圖1是擠壓涂布頭的一個截面示意圖，漿料涂布的進(jìn)行主要依靠兩個因素一個是涂珠的壓差即PD-PU，一個是基材的走帶速度。涂珠壓差大而涂布速度慢時，上游半月板就會與基材走帶方向反向運動，產(chǎn)生涂布缺陷。反之，當(dāng)涂珠壓差小耳涂布速度快時，則會混入空氣產(chǎn)生缺陷。所以說，在涂布時存在一個涂珠壓差范圍，在這個范圍內(nèi)上半月與下半月能夠穩(wěn)定存在，才能涂出質(zhì)量符合要求的液膜。

圖2.試驗裝置示意圖

　　試驗裝置大概如圖2所示，涂布頭與輥子的水平線呈30°夾角，此處沒有涂覆在基材上再經(jīng)過干燥，而是直接涂在高精度的鋼棍上，在鋼棍邊上安裝有一個二維激光傳感器系統(tǒng)來探測濕膜的形貌，濕膜質(zhì)量好壞以地勢圖表現(xiàn)出來。涂布采樣完成后，尾部安裝有刮刀將漿料收回廢料桶。

　　返回到圖1，定義幾個字母：G是涂頭和基材間隙值，H是濕膜厚度，U是移動速度。另外定義了無量綱參數(shù)。

G*=G/H——公式(1)

　　將間隙G設(shè)定為127μm，以此為基礎(chǔ)確定最低的臨界速度和最大的體積流量，試驗結(jié)果如圖3所示。其中，藍(lán)色方塊代表均一的液膜和穩(wěn)定的涂布調(diào)機(jī)，十字格子和十字代表含有缺陷的涂布參數(shù)。

圖3.間隙為127μm時涂布窗口特性圖(左)間隙為101.6μm時涂布窗口特性圖

　　圖中以G*為橫坐標(biāo)，以毛細(xì)管數(shù)量Ca為縱坐標(biāo)。在流體力學(xué)中，常用毛細(xì)管數(shù)和兩相粘度比來表征預(yù)測兩相流體中分散相液滴的形變和破裂發(fā)生的程度和可能性。

Ca=η*U/σ——公式(2)

　　其中η是動態(tài)粘度，σ為表面張力。由圖3(左)可以看出，當(dāng)降低G*值和Ca值時可以得到好的薄膜，而增大G*值和Ca值時薄膜就會出現(xiàn)缺陷。當(dāng)G*值最大為1.9時，仍然可以得到穩(wěn)定的涂層，根據(jù)G值計算此時的膜厚為67μm。如果把間隙G設(shè)為101.6μm，需要提高走帶速度才能獲得和左圖一樣的圖形，G*與Ca的關(guān)系如圖3(右)所示。因為速度提高了，降低間隙后，最小濕膜厚度的值降低到59μm，對應(yīng)最大G*為1.71。同樣，間隙降低為76.2時，溫度的濕膜厚度最低降到55μm，對應(yīng)最大G*為1.39。

　　通過以上的例子，可以了解到對于某種漿料，涂布窗口的確定方法。那么如何將其應(yīng)用到實際生產(chǎn)中呢？以下舉兩個例子：

　　用法一、在聚合物鋰電池漿料的粘度和與基材的表面張力一定的情況下，可以通過變換走帶速度和間隙值來做出類似的涂布窗口特性圖，以此確定此種漿料的涂布產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定的大致臨界范圍，超過此范圍則可能出現(xiàn)涂布缺陷。

　　用法二、在設(shè)計聚合物鋰電池電芯時，面密度是一個關(guān)鍵的參數(shù)，根據(jù)面密度值、漿料固含量、漿料密度可以計算得出所需濕涂料的厚度，如果在對產(chǎn)量有要求的情況下（涂布速度確定），可以根據(jù)涂布窗口特性圖確定涂布所需的大致間隙。相反，也可以根據(jù)窗口特性選定合適的間隙范圍后，確定涂布速度的臨界值。

　　除了以上兩個用法之外，也可以探索出其它的用法，需要注意的是聚合物電池實際設(shè)置參數(shù)時需要考慮到涂布設(shè)備的精度、校準(zhǔn)情況等因素進(jìn)行微調(diào)。

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