浅谈折返式双面挤压精准涂敷技术在锂电池极片涂布系统中的应用

2023-01-02张冠炜

中国设备工程 2022年2期

张冠炜

（佛山市金银河智能装备股份有限公司，广东佛山 528100）

锂离子电池（简称锂电池）产业市场巨大，现有装备技术水平已经不能满足电池生产工艺的需求，需要研发能提升锂电池极片制造核心技术和关键工艺水平，解决行业技术难题，突破行业瓶颈，推动极片制造过程智能化、连续化。

目前，国内锂电池生产厂商常采用单面挤压式涂布机或刮板式涂布机进行锂电池极片涂布，受涂敷方式及干燥效率影响，上述两种涂布机的最大涂布速度仅有15m/min，涂布面密度精度误差约为±2%，涂布面厚度精度只能达到±4µm，涂布机的涂布精度不高直接导致了其难以生产出高品质、性能一致的锂电池极片。由于单面挤压式或刮板式涂布机涂布速度慢，锂电池生产厂家为满足市场需求，必须投入多套涂布设备长时间运转生产，而相应地需增加场地及人员投入，不利于降低生产成本。此外，单面挤压式和刮板式涂布机不能在同一个操作流程中完成正面以及反面涂布，需分步进行正、反两面涂敷与烘干，干燥效率低，能耗大，容易出现涂层外干内湿或表面开裂等问题。

1 生产锂电池的涂布过程

放卷辊、涂布辊、牵引辊、烘箱和收卷辊等是涂布机主要的机械结构。完整的生产过程：在放卷辊上放置待涂的基带，随后在导向辊的作用下，基带被拉到涂布辊与橡胶辊的中部，紧接着，基带在张力辊的的作用下紧压与涂布辊上，并通过螺杆泵将料池中的浆料定量稳定地输送到挤压涂布头中，浆料在涂布电机转动过程中会吸附在基带表面，随后牵引电机将涂好的潮湿基带送入烘箱中完成干燥作业，涂料在出烘箱后呈现烘干状态，最后将收卷辊收成整卷，涂布过程便完成。在新产品开发和产品制造过程中，计算机模拟发挥着越来越重要的作用。通过建立2D或3D模型，对涂布过程进行仿真，掌握涂布规律，能够可视化涂布工艺，缩短工艺开发时间。

具体的涂布模拟包括挤出模头内部流场流动过程、浆料在上料系统中的流动过程、涂布过程湿涂层的形成、优化模头结构、涂布机理研究、改善涂布工艺以及确定涂布窗口等。根据流体力学理论，通过对涂布过程的流场的受力情况和流场表征参数进行计算，我们可以初步判定流场的基本特性，理解涂布过程的现象及涂布缺陷的产生原因。流体力学有限元分析可以直观看到流体的流动状态，更形象地理解涂布流动过程。

2 折返式双面挤压精准涂敷技术的控制实现

要实现锂电池极片快速精准涂布，我们必须创新地开发新型双面涂布工艺，并解决高速涂敷过程中难以稳定精准涂敷以及高效干燥技术难题,为满足工艺要求，需要对原有的一些控制技术进行改进。

锂电池正负极折返式双面挤压涂布机的工作原理是在成卷铝箔上涂覆一层正极或负极浆料，涂完第一面后进入烘箱烘干，出烘箱后涂完第二面折返回烘箱烘干，经过烘干后再回收成卷。在控制方式和控制精度的把握上，采用的方法主要有PID控制和纠偏控制。在速度方面启用PID控制，实现收卷、放卷、牵引等传动轴与主辊的速度同步。在涂布机张力控制方面启用PID控制，主要用于实现卷材放卷张力、涂布张力、收卷张力的闭环控制，保证张力误差正负1N以内，以消除因张力不稳定对涂布精度的影响。与此同时，使用纠偏控制，主要用于实现卷材经过放卷、牵引、收卷等机基仍能保证在一条直线上，防止卷材跑偏，纠偏精度正负0.5mm。为保证A、B面涂布对齐度，引入CCD系统，实时监测A、B面的对齐度，并与B面涂布头的位置调整伺服形成闭环控制，实时调整B面的涂布位置，以满足对齐度工艺要求。

3 折返式双面挤压涂布机在锂电池涂布系统中的应用

涂布机主要由放卷部分，第一机头部分、双层烘箱部分、第二机头部分、过渡架部分、牵引部分、收卷部分、传动系统，气动系统和电控系统及相应的机构组成。锂电池极片涂布是指将浆料活性物质定量涂覆在铜箔或铝箔上并烘干制得复合材料（极片）的生产过程，极片活性物质涂覆量的一致性会直接关系到电池容量、内阻、自放电、安全等一系列重要参数。目前，国内普遍使用单面挤压式或刮刀转移式涂布机进行分步涂布，第一面涂布烘干完成后再人工换卷进行第二面涂布烘干，涂布速度仅有15m/min，涂布面密度精度误差约为±2%，所生产的极片一致性较差，同时，由于所采用的烘箱烘干不均匀、烘干效率低，涂布完成后往往达不到直接辊压要求，进行辊压前还需要进行极片烘干。

由于折返式双面涂布的片材长，片材走带的张力控制及纠偏难度更大，为解决这个问题，可以采用四段张力控制及自动纠偏模式，采用伺服扭力浮棍和张力传感器来对放卷、第一面涂覆、第二面涂覆以及收卷进行控制，保证了片材在双面涂覆过程中张力稳定不跑偏。涂布机头我们采用高精度挤压式涂布模头，挤压式涂布模头具有涂覆速度快、精度高、适应浆料范围广、调试方便等优点，配合自主研发的螺杆泵、高灵敏度高速阀以及浆料输送控制系统可实现精确涂布以及定长分段间歇涂布。同时，为进一步提高涂布精度，我们对涂布模头流道、模头材料以及隔片进行了特殊处理，并在涂覆过程中采用射线面密度检测仪实时监控单、双面的面密度变化，配合闭环控制控制可在线自动调整涂布机头的设置参数，确保涂覆后极片的面密度误差≤±1%。

极片涂覆后的烘干效率是影响涂布速度的一个重要因素，为提高涂布速度、降低能耗，并解决烘干后涂层外干内湿或表面开裂等问题，进行悬浮式双层高效烘箱的开发，该烘箱采用双层烘干通道结构以及热风流场稳定设计，配合自主研发的传动风嘴及漂浮风嘴，可满足32m烘箱对应30m/min的走带速度要求。此外，为实现连涂连扎，在极片第二面出箱后增加了红外线干燥装置，该装置能在连续走带过程中一次性把片材烘干到可以直接进行辊压的要求。