钜大LARGE | 点击量：2257次 | 2018年08月26日
涂布窗口是如何确定的？
限制一条锂电池生产线的产能的工序主要在于混料和涂布。
随着国家对锂电池厂产品产能的要求越来越高，锂电池准入门槛也越来越高。在当下的锂电池领域中，产品的性能、成本决定了一个锂电企业的生死存亡。降低锂电池生产成本的有效方式是提高锂电池单条线的产能。
限制一条锂电池生产线的产能的工序主要在于混料和涂布。混料技术目前主要有干法和湿法混料两种方式，干法混料方式具有时间短、分散好等优点，缺点是对设备的要求高，对设备的损害比较大，产品浆料的性质变动因素比较多。湿法混料方式在市场上也占有一定比例，其特点是浆料性质相对好控制，对设备损伤小，缺点是时间比较长。
在涂布方式上，现在锂电池制造大部分选择了条缝式挤压涂布，因为此种方式属于预计量涂布，且原材料不会与环境发生物质交换，防止了浆料的污染。同时，条缝式挤压涂布具有可控范围广，精度高等特点，非常适合用于锂电池制造。限制涂布极片产能的地方在于涂布速度，而涂布速度快慢主要还得看浆料成膜质量和湿膜干燥速度。湿膜干燥速度主要受到干燥效率，回收效率等影响，提高浆料的固含量也是一个有效的提高生产效率的方式，据悉某些锂电厂家已将正极浆料的目标固含量定到了85%以上。当然，浆料好做，涂布难涂，高固含量的浆料是否适合涂布还得看涂布设备。那么久需要熟悉涂布机的涂布窗口特性。
图1.挤压涂布头截面示意图
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
图1是挤压涂布头的一个截面示意图，浆料涂布的进行主要依靠两个因素一个是涂珠的压差即PD-PU，一个是基材的走带速度。涂珠压差大而涂布速度慢时，上游半月板就会与基材走带方向反向运动，产生涂布缺陷。反之，当涂珠压差小耳涂布速度快时，则会混入空气产生缺陷。所以说，在涂布时存在一个涂珠压差范围，在这个范围内上半月与下半月能够稳定存在，才能涂出质量符合要求的液膜。下面根据一篇文献中的例子，说明下涂布窗口是如何确定的。
图2.试验装置示意图
试验装置大概如图2所示，涂布头与辊子的水平线呈30°夹角，此处没有涂覆在基材上再经过干燥，而是直接涂在高精度的钢棍上，在钢棍边上安装有一个二维激光传感器系统来探测湿膜的形貌，湿膜质量好坏以地势图表现出来。涂布采样完成后，尾部安装有刮刀将浆料收回废料桶。
返回到图1，定义几个字母：G是涂头和基材间隙值，H是湿膜厚度，U是移动速度。另外定义了无量纲参数。
G*=G/H——公式(1)
将间隙G设定为127μm，以此为基础确定最低的临界速度和最大的体积流量，试验结果如图3所示。其中，蓝色方块代表均一的液膜和稳定的涂布调机，十字格子和十字代表含有缺陷的涂布参数。
图3.间隙为127μm时涂布窗口特性图(左)间隙为101.6μm时涂布窗口特性图
图中以G*为横坐标，以毛细管数量Ca为纵坐标。在流体力学中，常用毛细管数和两相粘度比来表征预测两相流体中分散相液滴的形变和破裂发生的程度和可能性。
Ca=η*U/σ——公式(2)
其中η是动态粘度，σ为表面张力。由图3(左)可以看出，当降低G*值和Ca值时可以得到好的薄膜，而增大G*值和Ca值时薄膜就会出现缺陷。当G*值最大为1.9时，仍然可以得到稳定的涂层，根据G值计算此时的膜厚为67μm。如果把间隙G设为101.6μm，需要提高走带速度才能获得和左图一样的图形，G*与Ca的关系如图3(右)所示。因为速度提高了，降低间隙后，最小湿膜厚度的值降低到59μm，对应最大G*为1.71。同样，间隙降低为76.2时，温度的湿膜厚度最低降到55μm，对应最大G*为1.39。
通过以上的例子，可以了解到对于某种浆料，涂布窗口的确定方法。那么如何将其应用到实际生产中呢？以下举两个例子：用法一、在浆料的粘度和与基材的表面张力一定的情况下，可以通过变换走带速度和间隙值来做出类似的涂布窗口特性图，以此确定此种浆料的涂布产品质量稳定的大致临界范围，超过此范围则可能出现涂布缺陷。用法二、设计电芯时，面密度是一个关键的参数，根据面密度值、浆料固含量、浆料密度可以计算得出所需湿涂料的厚度，如果在对产量有要求的情况下(涂布速度确定)，可以根据涂布窗口特性图确定涂布所需的大致间隙。相反，也可以根据窗口特性选定合适的间隙范围后，确定涂布速度的临界值。除了以上两个用法之外，也可以探索出其它的用法，需要注意的是实际设置参数时需要考虑到涂布设备的精度、校准情况等因素进行微调。
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