充電機(jī)充電鋰電池極片擠壓涂布常見缺陷有哪些？
2018-8-25 17:33:33??????點擊：
目前，電動車、儲能電池等新能源產(chǎn)業(yè)在全球范圍內(nèi)發(fā)展迅速。作為公認(rèn)的理想儲能元件，充電機(jī)充電動力鋰電池也得到高度關(guān)注。涂布機(jī)是充電機(jī)充電動力鋰電池極片的生產(chǎn)關(guān)鍵工藝設(shè)備。目前，充電機(jī)充電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。一般實驗室設(shè)備采用刮刀式，3C電池采用輥涂轉(zhuǎn)移式，而動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，刮刀與基材之間的間隙決定了涂層厚度，同時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。 刮刀類型主要逗號刮刀。逗號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 逗號刮刀涂布示意圖
輥涂轉(zhuǎn)移式
涂輥轉(zhuǎn)動帶動漿料，通過逗號刮刀間隙來調(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)移涂布包含兩個基本過程：（1）涂布輥轉(zhuǎn)動帶動漿料通過計量輥間隙，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的涂輥與背輥轉(zhuǎn)動轉(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，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滿足這幾個條件：
（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。
（4）走箔穩(wěn)定，不發(fā)生走帶滑動，嚴(yán)重抖動和褶皺。
涂布操作窗口是狹縫涂布一個重要的工藝參數(shù)，在實際生產(chǎn)中，當(dāng)工藝參數(shù)超出操作窗口的范圍時，涂布缺陷便會產(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。常見缺陷有點缺陷、邊緣效應(yīng)、鋸齒缺陷等。
1 點狀缺陷
1.1 氣孔：一是氣泡產(chǎn)生(攪拌過程、輸運過程、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)聚體時就會產(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?？ㄔ讵M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
? 對策
– 清除唇口或涂布間隙的顆粒、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
– 走帶速度波動
– 漿料供料的流動發(fā)生周期性波動
? 對策
– 確認(rèn)機(jī)械擾動頻率與橫紋發(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)動下的物質(zhì)遷移。如圖8所示，開始時，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)動內(nèi)側(cè)液體向邊緣移動，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，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)。
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，刮刀與基材之間的間隙決定了涂層厚度，同時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。 刮刀類型主要逗號刮刀。逗號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 逗號刮刀涂布示意圖
輥涂轉(zhuǎn)移式
涂輥轉(zhuǎn)動帶動漿料，通過逗號刮刀間隙來調(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)移涂布包含兩個基本過程：（1）涂布輥轉(zhuǎn)動帶動漿料通過計量輥間隙，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的涂輥與背輥轉(zhuǎn)動轉(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，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滿足這幾個條件：
（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。
（4）走箔穩(wěn)定，不發(fā)生走帶滑動，嚴(yán)重抖動和褶皺。
涂布操作窗口是狹縫涂布一個重要的工藝參數(shù)，在實際生產(chǎn)中，當(dāng)工藝參數(shù)超出操作窗口的范圍時，涂布缺陷便會產(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。常見缺陷有點缺陷、邊緣效應(yīng)、鋸齒缺陷等。
1 點狀缺陷
1.1 氣孔：一是氣泡產(chǎn)生(攪拌過程、輸運過程、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)聚體時就會產(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?？ㄔ讵M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
? 對策
– 清除唇口或涂布間隙的顆粒、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
– 走帶速度波動
– 漿料供料的流動發(fā)生周期性波動
? 對策
– 確認(rèn)機(jī)械擾動頻率與橫紋發(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)動下的物質(zhì)遷移。如圖8所示，開始時，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)動內(nèi)側(cè)液體向邊緣移動，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，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)。
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