擠壓涂布機(jī)工作原理介紹及調(diào)試

高榮良 付春慧 李青松

摘 要：鋰離子電池的漿料涂布過程很大程度決定了鋰離子電池電性能的優(yōu)劣。以擠壓式涂布機(jī)為主流的鋰離子涂布工藝，是目前商業(yè)化程度最高應(yīng)用最廣泛的技術(shù)。通過總結(jié)擠壓涂布機(jī)工作過程原理及涂布過程中相關(guān)注意事項，對調(diào)試過程中各類問題解決方案進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：擠壓涂布機(jī);模頭;回流閥;涂布閥;背輥

一、引言

鋰離子電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長、自放電率小、無記憶效應(yīng)和綠色環(huán)保等突出優(yōu)勢。鋰離子電池作為性能優(yōu)越的二次電源，目前市場前景廣闊，廣泛應(yīng)用于儲能行業(yè)和電動汽車行業(yè)。尤其是近年來作為動力電池的市場前景越來越廣闊[1]。鋰離子電池的制備技術(shù)包括一系列的工序：配料、涂布、輥壓、分切、卷繞/疊片、組裝、注液、化成、分容等。其中涂布工序則直接影響了鋰離子電池電性能的40%。

目前，涂布技術(shù)主要有三種：微型凹版涂布、轉(zhuǎn)移式涂布、擠壓式涂布，而擠壓式涂布因涂布效果好，涂布量可通過涂布刮刀的微動調(diào)節(jié)靈活控制、涂布精度高、可不連續(xù)涂布模式、自由調(diào)節(jié)涂布范圍、清洗拆卸較容易、可保持較高水平潔凈程度等優(yōu)點，在鋰離子電池制造行業(yè)中應(yīng)用最為廣泛。

擠壓涂布機(jī)是用于鋰電池生產(chǎn)液態(tài)鋰離子電池、固態(tài)聚合物電池的極片涂布機(jī)[2][3]。整機(jī)采用模塊化設(shè)計、集數(shù)字量模塊，模擬量控制技術(shù)于一體化控制，單獨溫控模塊控制溫度，先進(jìn)的PID及擠壓式模頭，自動保持涂布張力恒定的控制。

二、擠壓涂布機(jī)原理介紹

漿料放進(jìn)儲料罐，通過螺桿泵使?jié){料具有一定壓力，經(jīng)過過濾器、進(jìn)料管到達(dá)間涂閥，通過間涂閥的動作使?jié){料進(jìn)入模頭，進(jìn)行涂布，或停止涂布時經(jīng)回流閥、回流管流回儲料罐。

為了漿料均勻的涂敷在金屬基材上必須具備以下條件：

（1）、墊片的選擇：墊片厚度是由漿料體系、粘度、敷料面密度等一些因素決定的，如圖1所示，漿料粘度越高，墊片越厚;粘度越低，墊片越薄。

（2）模頭的安裝：用水平儀調(diào)整好模頭與背輥在垂直平面的平行度，一般小于0.02mm ;調(diào)整好模唇與背輥的間隙，大概在100um—250um之間。

（3）儲料罐方面，管道和所有連接件都必須清潔干凈，各個部件須正確的連接并密封良好，不能有漿料泄露。

（4）涂布開始之前，管道和模頭里的空氣必須排干凈，在模頭和背輥之間搭墊上硅膠條，推動模頭前進(jìn)使模唇壓緊密封條，打開涂布閥，打開排氣閥門，進(jìn)行排氣操作。

涂布機(jī)進(jìn)行涂布時，打開涂布閥，關(guān)閉回流閥，將帶有一定壓力的漿料從進(jìn)料口推入模腔，再經(jīng)過模唇的縫隙噴在金屬基材上;停止涂布時，打開回流閥，關(guān)閉涂布閥，由于沒有供料，模腔內(nèi)沒有壓力，漿料停止噴出，漿料經(jīng)過回流閥流回儲料罐;進(jìn)行間隙涂布操作時，重復(fù)上述兩個動作，涂布閥和回流閥打開和關(guān)閉的時間決定了極片涂布區(qū)和留白區(qū)的尺寸長短。

供料系統(tǒng)中有兩個位置的壓力非常重要：腔體壓力、回流壓力。在涂布過程中這兩個壓力須保持穩(wěn)定，才能保證涂布均勻。腔體壓力變小，涂層就會變薄;相反壓力變，涂層就會變厚，即腔體壓力與涂層厚度成正比關(guān)系。間歇涂布時腔體壓力變化趨勢如圖2所示，涂布時，腔體壓力從0上升至涂布壓力，屬于上升過程;涂布進(jìn)行到留白區(qū)域時，腔體壓力下降至0或負(fù)值。

三、擠壓涂布機(jī)的調(diào)試

1、涂布面密度的調(diào)試

準(zhǔn)備涂布時，先調(diào)整回流壓力，從小往大調(diào)整，然后操作間涂閥動作，使涂布壓力在較短的時間內(nèi)上升至穩(wěn)定的壓力，然后開始試涂。試涂數(shù)量一般為3片，待試涂區(qū)域烘干后，取第3片進(jìn)行面密度的測量，在該片極片上取48個直徑為40mm樣品稱重，記錄數(shù)據(jù)，取樣如圖3所示。

根據(jù)取樣小片的數(shù)據(jù)，分別進(jìn)行橫向和縱向分析。收集到的橫向數(shù)據(jù)可用于模頭左右間隙和模唇間隙的調(diào)整。若橫向數(shù)據(jù)顯示左右兩邊厚度不一致時，為調(diào)整厚度變小，須減小模頭的間隙，反之則加大間隙;根據(jù)縱向取樣數(shù)據(jù)可用于調(diào)整回流壓力和涂布閥行程，若前半部分重后半部分輕，則須減小回流壓力，反之則加大回流壓力。涂布過程中涂布壓力變化趨勢如圖2所示，當(dāng)涂布的回流壓力過小異常情況下，涂布壓力變化趨勢如圖4所示。

2、頭尾厚度的調(diào)整

涂布頭尾的調(diào)整原理：頭尾調(diào)整的時間非常短暫，可通過調(diào)整回流閥和涂布閥打開關(guān)閉的時間差來達(dá)到削薄和增厚。在設(shè)定好尺寸后，回流閥按照程序進(jìn)行打開和關(guān)閉的動作，如果涂頭位置和涂尾位置都為零時，涂布閥打開的動作和回流閥關(guān)閉的動作同時進(jìn)行，涂布閥關(guān)閉的動作和回流閥打開的動作也是同時進(jìn)行。另外，涂布頭尾的厚度與涂布閥的行程、動作的快慢有關(guān)，行程越大頭尾厚度越厚，打開關(guān)閉的速度越快頭尾越厚。

四、擠壓涂布機(jī)面密度調(diào)試實例

1、實例一：某公司陰極擠壓涂布機(jī)調(diào)試結(jié)果

表1為擠壓涂布機(jī)的橫向極片重量分布。模唇要根據(jù)橫向重量數(shù)據(jù)趨勢圖分析后進(jìn)行調(diào)整，橫向重量公差在±2mg。如上述圖5所示，因在涂布過程中，兩邊會因模唇內(nèi)漿料的堆積導(dǎo)致壓力損耗而變薄，兩邊與中間的誤差會逐漸變小，最后變?yōu)閮蛇叺闹亓勘戎虚g輕。為了使設(shè)備在生產(chǎn)過程中橫向的重量公差保持在2-3mg范圍內(nèi)，須將模唇調(diào)整至圖6所示的第1和第6點即可?？v線趨勢圖表：

從圖6可知，第1點和2點涂布重量偏輕，第3點比第4 、5 、6點偏重。一般情況下，可通過加大回流壓力，使第1點和第2點上升，如果第3點同時出現(xiàn)上升現(xiàn)象，那么就不要調(diào)整回流壓力，只需加大涂布閥的行程即可。將涂布閥行程加大了1mm后，涂布重量趨勢變?yōu)槿缦聢D7所示。

綜上所述：因涂布閥閥芯采用錐閥，因此閥芯在有效行程內(nèi)，行程的變化會造成管道截面積的變化，從而影響漿料的流量。因此涂布時確定閥行程非常關(guān)鍵，陰極涂布時涂布閥的行程約為1.5-2.5mm，回流閥約為4.5-5.5mm;陽極涂布時涂布閥的行程約為3-4mm，回流閥約為4.5-8mm。關(guān)注螺桿泵泵速、膜片厚度的選擇及回料壓力、涂布壓力、模腔壓力是否穩(wěn)定，只要做到以上內(nèi)容有利于提高生產(chǎn)效率，保證極片面密度提高電池容量，降低設(shè)備維修率及生產(chǎn)成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]程建軍. 國內(nèi)鋰離子動力電池關(guān)鍵工藝裝備[J]. 科技傳播， 2012， 2012（13期）： 82-83.

[2]楊志明.擠壓涂布頭及其涂布機(jī)[P].中國專利，2014.

[3]胡鄒明、晏毓達(dá).雙面擠壓式涂布機(jī)[P].中國專利，2013.