狹縫擠壓塗布技術是一種先進的預計量塗布技術, 能獲得較高精度的塗層, 目前, 鋰離子動力電池行業已經普遍採用狹縫擠壓式塗布技術製造電池極片. 狹縫擠壓式塗布示意圖如圖1所示, 一定流量的漿料從擠壓頭上料口進入模頭內部型腔, 並形成穩定的壓力, 漿料最後在模頭狹縫出口噴出, 塗覆在箔材上.
圖1 狹縫擠壓式塗布示意圖
擠壓模頭是鋰電池塗布的關鍵部件, 直接決定塗布極片的質量和均勻性, 因此, 模頭成本一般大於整個塗布機的30%. 塗布模頭結構主要包括上模, 下模, 墊片三部分. 下膜有特殊的型腔, 上模相對比較簡單, 墊片位於上下模之間可根據不同的塗布形式進行選擇, 如圖2所示. 影響塗布厚度均勻性的因素主要有擠壓模頭型腔出口速度的均勻性, 基材的平面度, 漿料的均勻性以及表面張力等, 其中擠壓模頭出口速度的均勻性是主要因素之一. 擠壓模頭型腔的幾何結構直接影響型腔的流場形態, 優化結構參數能有效提高出口速度分布的均勻性. 目前, 國內也有不少公司自主研發設計塗布模頭, 其設計優化包括:
(1) 塗布模頭內部流道設計, 比如梯度式, 衣架式, 單腔式和雙腔式等料槽結構. 目標就是維持塗液在模具內的流動速度, 不產生靜止區域或沉降等問題, 從而確保模頭狹縫出口速度均勻保證塗層的均勻性. (後面再撰文詳細總結)
(2) 進料位置優化設計, 比如模頭下部進料, 模頭側面進料等, 改變流體流動狀態確保模頭狹縫出口速度均勻.
(3) 墊片結構的優化設計.
圖2 擠壓塗布模頭
其中, 塗布模頭的刃口是又是整個模頭的關鍵, 如圖2所示, 塗布時漿料不斷流經刃口, 從狹縫噴出, 刃口的性能指標會直接影響塗布效果. 根據鋰離子電池塗布的特點, 擠壓模頭刃口應該滿足以下要求:
(1) 刃口尺寸精度要求高. 鋰離子電池塗布一般漿料濕厚100-300 μm, 精度要求<1%, 因此, 对刃口的尺寸要求也很高, 比如刃口要求锋利, 达到微米级精度; 刃口直线度高 (小于2μm/m) .
(2) 噴口面表面光潔, 粗糙度小 (Rz0.2μm以下) . 漿料是活物質顆粒懸浮液, 流經刃口然後從狹縫噴出, 如果固體在某處停滯堆積, 會造成塗布厚度不均勻, 形成豎直條道等缺陷. 這就要求噴口面表面光潔, 粗糙度小, 不造成固體顆粒堵塞.
(3) 刃口材料硬度高, 耐磨損, 使用壽命長. 正負極漿料是由固體顆粒組成的懸浮液, 在塗布過程中漿料在壓力作用下不斷從刃口狹縫噴出, 固體顆粒會對刃口噴出面形成磨粒磨損, 這就要求刃口材料硬度高, 耐磨, 能夠長期使用.
(4) 耐腐蝕. 鋰離子電池漿料裡面往往包含有機溶劑, 聚合物粘結劑等組分, 正極漿料往往還成弱堿性, 因此, 要求刃口耐腐蝕.
(4) 刃口鋒銳, 要求具備一定韌性, 不會發生斷裂, 要求抗壓強度和彎曲強度高, 不會發生彎曲變形.
考慮到具體的使用環境和成本因素, 我們應該根據需要合理選擇擠壓模頭的材料, 如表1所示可以考慮這些不同的材料組合方案.
表1擠壓模頭材料選擇方案
硬質合金是一種主要由硬質相和粘結相組成的粉末冶金產品. 硬質相很硬, 主要是各種碳化物, 其主要碳化物有: 碳化鎢(WC), 碳化鈦, 碳化鉭和碳化鈮, 鈷作為粘結相使用. 日本的TF15是一種鎢鋼硬質合金, 這種材料晶粒尺寸細小, 小於1μm, 兼顧了硬度及韌性, 易形成鋒利刃口, 刀尖強度又高, 其基本性能參數見表2. 圖3是超硬合金刃口與不鏽鋼刃口精度對比, 相應地使用這兩種不同刃口材料的模頭進行塗布, 塗布厚度均勻性也不同, 如圖4所示. 刃口採用耐磨損性優異的硬質合金, 可實現長壽命, 高品質.
表2 TF15材料基本性能參數
圖3 超硬合金刃口與不鏽鋼刃口對比
圖4 碳化鎢硬質合金與不鏽鋼刃口模頭塗布厚度均勻性對比
要生產高質量電池需要高精度的設備, 設備開發也需要不斷精進. 以上總結, 錯誤之處請大家指正.
