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淺析:鋰電池極片塗布工藝缺陷

2020-05-28 16:42:19 來源:中國電池聯盟

鋰離子電池的生產制造是由多個工藝步驟嚴密聯絡起來的過程,主要包括極片制造工藝、電池組裝工藝,以及注液、預充、化成、老化工藝等。

電池極片塗布是指將攪拌均勻的漿料均勻地塗覆在集流體上,並將漿料中的有機溶劑進行烘幹的一種工藝。

鋰電池制造工藝流程

 

圖1. 鋰電池制造工藝流程

電池極片制造工藝包括漿料制備、漿料塗覆、極片輥壓、極片分切、極片幹燥等五道程序。

電池制造過程中,每道工序都會出現或多或少的資源浪費,浪費的原因是多方面的,有員工失誤、設備失誤、環境等因素,為了保證產品成品率足夠高,就要盡量保證每一步工序的合格。

在電池制作過程中,極片塗布工藝存在著一些缺陷,而減少這些缺陷,提高塗布質量和良品率,降低制作成本,正是行業專業人士研究解決的主要任務。

在極片塗布中,常出現的問題包括原料汙染、塗布工藝不穩定、操作不規范、幹燥程序設置錯誤等,而這些問題又會造成極片出現或多或少的缺陷,如點狀缺陷、厚邊缺陷等。

點狀缺陷主要來自於漿料內氣泡和混入的異物。氣泡可以來自攪拌中脫泡未完全、供料工作過程中或者塗布過程中,異物主要來自於操作時的失誤或環境問題。

在極片塗布過程中,漿料內部氣泡噴塗在極片上,經過烘箱烘幹時,氣泡破裂,在極片上形成白色圓斑。而這些活物質塗層較薄,在電池充放電過程中容易造成微短路。

此外,極片中有異物存在時,顆粒周圍塗膜處是低表面張力區域,液膜向周圍呈發射狀遷移,形成點狀缺陷。

為防止此類缺陷的出現,可以通過控制操作環境、優化漿料攪拌、控制塗布速度、保證基材幹淨等措施來解決。

厚邊缺陷是指,極片在輥壓過程中,厚邊承受更大的壓力,不僅造成極片在橫向密度上不同,也會造成厚邊處活物質顆粒被碾碎。

存在厚邊缺陷的極片經過壓制後,會出現較嚴重的翹曲現象,對後續的分切、卷繞過程中也會有很大的影響。

厚邊處活物質顆粒被碾碎後,在充放電過程中鋰離子和電子的傳輸路徑變遠,就會導致電池內阻增大極化加深,影響電池的使用壽命和安全。

此外,析鋰和微短路對電池性能也是極為不利的。

產生厚邊的主要原因是漿料表面張力的驅使,使漿料向極片邊緣無塗覆處遷移,烘幹後形成厚邊。

電池極片幹燥過程示意圖.png

 

圖2. 電池極片幹燥過程示意圖

研究表明,塗布速度對邊緣寬度和高度無顯著影響,邊緣梯度隨著塗布速度增加而增大,減小間隙比,可以降低邊緣效應。

此外,相關間隙塗布研究表明,通過調整塗布間隙、壓力預調整也可以降低厚邊,利用添加界面活性劑降低漿料表面張力的方法也能在一定程度上減少厚邊的發生。

據了解,極片塗布設備主要由收放卷單元、供料單元、張力控制系統、塗布機頭、烘箱等部分組成。

極片塗布可以分為轉移式塗布和擠出式塗布兩種,且都存在優缺點。

轉移式塗布是指塗輥轉動帶動漿料,通過調整刮刀間隙來調節漿料轉移量,並利用背輥或塗輥的轉動將漿料轉移到基材上,按工藝要求,控制塗布層的厚度以達到重量要求。

此外,通過幹燥加熱除去平鋪於基材上的漿料中的溶劑,使固體物質很好地粘結於基材上。

轉移式塗布的優點是對漿料粘度的要求不高,比較容易調節塗布參數,且沒有堵料。

轉移式塗布的不足之處在於,對動力電池來說塗布精度較差,無法保證極片的一致性。漿料在輥間暴露於空氣中,對漿料的性質有影響。

擠出式塗布是指上料系統將塗料輸送給螺杆泵,再將漿料動力輸送至擠出頭中,通過擠出形式將漿料制成液膜後塗布至移動的集流體上,經過幹燥後形成質地均勻的塗層,如圖3所示。

擠出式塗布工藝.png

圖3. 擠出式塗布工藝

擠出式塗布的優點是,塗膜後極片非常均勻且精度較高,塗層邊緣平整度高,密閉操作系統,不受異物影響,適合量產。

擠出式塗布的不足之處在於,設備精度要求較高,維護保養要求也高,漿料粘度范圍要求也高,變換規格時需要更換新的墊片。

極片塗布工藝中,漿料塗覆是繼制備漿料完成後的一道工序,主要目的是為了將穩定性好、粘度好、流動性好的漿料均勻地塗覆在正負極集流體上。

從電池壽命來講,漿料塗覆前後差異大、極片混入粉塵、極片左右厚度不均勻等等,都關系到電池電化學性能的優劣。

從電池的容量來講,在塗布過程中,若極片前、中、後叁段位置正負極漿料塗層厚度不一致,就容易引起電池容量過低、過高,在電池循環過程中形成析鋰,影響電池壽命。

從電池性能的一致性來講,電池廠比較忌諱的是電池的容量差異、循環壽命差異較大,所以在極片塗布過程中要保證極片前後參數一致。

從電池的安全性來講,極片塗布之前要做好5S工作,確保塗布過程中沒有顆粒、雜物、粉塵等混入極片中,如果混入雜物會引起電池內部微短路,嚴重時導致電池起火爆炸。

操作實踐表明,擠壓式塗布因為具有高精度、塗布均勻、適合較大寬度塗布等優點,被廣泛應用於動力電池領域,且逐漸取代適用於中試線的轉移式塗布機。

根據市場發展來看,未來塗布工藝可能會朝著高設備性能、高稼動率、在線測厚控制精度、提高幹燥效率等方向發展。


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