新能源锂离子电池双层高速挤压涂布设备的改进设计分析

摘 要： 当前传统的新能源锂离子电池生产线的涂布工序存在工作效率低，涂布不均等问题，影响了整个生产线的生产效率与进度。为此，需要开发一种高效率的双层高速挤压涂布设备。文章结合新能源锂离子电池双层高速挤压涂布设备项目，主要从涂布系统与干燥系统分析了双层高速挤压涂布设备的改进设计要点，期望为同类设备的开发提供借鉴。

关键词： 涂布装备;设计;涂布系统;干燥系统

一、 引言

随着社会对新能源电池需求的不断加大，社会对新能源电池生产设备的需求也不断加大。涂布工艺是实现新能源锂离子电池生产的重要工序，双层高速挤压机设备是实现该工序的核心设备。传统的双层高速挤压机设备难以满足现代自动化生产需要，例如涂布不均匀、收放卷工作不稳定，出现未烤干粘辊现象等。文章结合新能源锂离子电池双层高速挤压涂布设备项目，主要从涂布系统与干燥系统分析了双层高速挤压涂布设备的设计要点，解决现有涂布设备作业过程中存在的问题。

二、项目概况

双层高速挤压机涂布设备是新能源电池生产中的核心装备，其主要的作用是可以将含有活性物质、导电剂及黏结剂的浆料均匀的涂覆在集流体上，这是电池外层的重要保护涂装，也是多层电池生产中核心装置。在完成涂覆之后，将集流体放置在烘箱内进行烘烤，随后在干燥之后可以形成后锂离子电池的正负极极片。为改善現有涂布设备存在的涂布不均匀、出现未烤干粘辊现象、效率不高等问题，公司开展双层高速挤压涂布设备改进设计项目，研究者主要负责该项目涂布工序双层高速挤压机设备开发的需求分析，概念设计，方案评审，设备现场安装调试，验收，问题优化改善等工作。

三、双层高速挤压机设备系统分析

双层高速挤压机设备在构造上主要包括以下几个部分构成，包括有：收放卷系统、纠偏系统、供料系统、涂布系统、张力系统、干燥系统等。收放卷系统能够维持基材运行位置的稳定，保证基材供料的持续有效，其核心技术是将收放卷的张力进行科学有效调节，使得张力可以根据卷径变化而进行相适应的调整变化。纠偏系统能够维持基材运行过程中位置的正确性。供料系统的作用主要是为加工生产单元提供基础的原物料，该系统包括缓存罐、过滤器、浆料输送泵。涂布系统是高速挤压设备的核心系统，运动原理是通过伺服系统驱动连杆机构将浆料在集流体上的系统实现均匀涂覆。干燥系统是涂布系统的后处理设备，主要功能利用烘干机械将涂布后的极片快速均匀有效的烘烤，从而可以达到系统所需要实现的干燥要求。

四、 新能源锂离子电池双层高速挤压涂布设备改进设计要点

（一）涂布系统

涂布系统的主要作用是将新能源锂离子电池所用到的活性物质、导电剂以及黏结剂进行均匀涂覆作业。为了保证涂覆工艺上的均匀与稳定，在涂布系统中需要安装计量泵进行供料计量，方便对供料实现精确控制。涂布系统采用计量泵供料，其特点为供料稳定、定量且输出，能够为涂布模头提供一个稳定的腔体压力，为均匀涂布提供条件;涂布供料动力系统的压力大小会对涂布厚度和涂布尺寸均有影响。假设供料动力系统的压力不稳定，就难以保证整个系统涂布效果达到预期效果。在动力系统的供料过程中，端口所安装的过滤器也是影响供料品质的重要影响要素之一。供料系统在供料后，如无法将浆料中大颗粒物质加以过滤，后面在连续涂覆中就会使得各类颗粒在局部发生堆叠，使得涂布不均匀，存在凹凸现象。在实际涂布加工上要根据对浆料的细致程度来确定系统滤芯的目数，所选择滤芯的数量越大，在此可实现过滤浆料颗粒的粒径也会越小。在涂布执行机构方面，需要注意的问题是涂布执行过程中，需要保持浆料运输与涂覆中的同等厚度性，避免在该过程中浆料出现黏连，需要实时进行调整。

在系统实际运行过程中，均匀涂布是一个精确加工的过程，在该系统上会用到模头限位的方式来进行均匀涂布。模头与涂布辊是涂布系统的常见问题部位，两者间距太小的话会因为相互干涉而导致浆料的不均。如果连接间隙太大的话，又不能实现两者作业的有效联动，就无法连续完成涂布作业，如图1所示。

在图1中的涂布模头与涂布辊的安装不平行也会使得极片涂布会发生偏斜而受力不均，会使得极片边缘不存在削薄区，不对称的收卷电极两边发生严重的鼓边现象，后期在锂离子电池埋线中会使得裸电芯无法进入铝壳，就容易使得电池寿命大大降低，甚至失效。这种工艺问题对电池生产会形成较大的损失。对于这种细节，除了各传动部件安装不对称不平行，也是由于传动机械零件在设计上没有进行倒角而造成的。垫片边缘是直角的设计会使得涂覆供料在无倒角衔接的情况下，出现供料在直角出处被堆积，难以平顺进入浆料涂布的间隙而被有效挤压，这样就更难以有效释放其内部的压力，进而会导致涂布两侧在展开过程中出现涂布不均匀现象。对此，可在垫片边缘增加相应的倒角，倒角的作用不仅可以加大衔接角度，并且可以将原先直角多带来的压力得以充分释放，解决应力集中的问题，在原有的基础上较大程度地降低耗损。

（二）干燥系统

干燥系统的原理主要是通过热辐射进行的，在干燥系统中以烘箱为主要干燥措施加以热辐射烘干，其干燥程度通过温度传感器来加以控制。烘箱的加热方式是通过电加热、蒸汽加热及热煤油等方式来实现热传递;在烘箱结构上的表现形式是通过前端的主动过辊来对被烘干物品进行持续烘干作业的，在中后部分则主要通过悬浮烘箱来进行烘烤。该结构的主要构建膜片不通过上下风嘴接触，而是依靠上下吹风的压力差克服重力进行悬浮运行的。干燥系统在参数设定上，需要根据涂布作业后的涂覆材料状态来确定。项目电极在烘箱中发生过烘烤开裂，或者是未烤干粘辊等不良现象，对此，需要设计合适的温度及风量参数。项目在整段烘箱加热的工艺中应该分成四段，分别为升温加热、恒温加热、降温加热、冷却四步。每步烘箱的设定温度，循环风机转速，新风的供给以及排风的大小直接影响到极片的烘干程度和质量。经过不断地实验和调整，设计出合适的温度及风量参数，解决了烘烤开裂与未烤干粘辊的问题，保证了系统的烘干效果。

五、结论

文章针对传统锂离子电池双层高速挤压涂布设备涂布效率慢，涂布效果差等问题，开展了涂布系统的综合改进设计探究。项目通过在垫片留到边缘增加适当尺寸的倒角，对烘干工艺设计合适的温度及风量参数，保证了设备的涂布质量与烘干质量，有效实现了该生产线的预期生产目标，为同行在该方面研究提供了参考。

参考文献：

[1]程玺儒.非平衡磁控溅射离子镀制备TiAlN薄膜及其性能研究[D].成都：西华大学，2017.

[2]薛莹洁，陈海峰.磁控溅射镀膜中钛靶冷却系统的仿真与优化[J].钛工业进展，2017，34（2）：38-44.

[3]唐美.涂布设备的发展趋势[J].纸和造纸，2002（6）：29-31.

作者简介：  张略，江苏塔菲尔新能源科技股份有限公司。