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锂电池极片挤压涂布常见缺陷

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目前，电动车、储能电池等新能源产业在全球范围内发展迅速。作为公认的理想储能元件，动力锂电池也得到高度关注。涂布机是动力锂电池极片的生产关键工艺设备。目前，锂电池极片涂布工艺主要有刮刀式、辊涂转移式和狭缝挤压式等。我在工作过程中，这三种涂布方式都接触过。一般实验室设备采用刮刀式，3C电池采用辊涂转移式，而动力电池多采用狭缝挤压式。

刮刀涂布

工作原理如图1所示，箔基材经过涂布辊并直接与浆料料槽接触，过量的浆料涂在箔基材上，在基材通过涂辊与刮刀之间时，刮刀与基材之间的间隙决定了涂层厚度，同时将多余的浆料刮掉回流，并由此在基材表面形成一层均匀的涂层。刮刀类型主要逗号刮刀。逗号刮刀是涂布头中的关键部件之一，一般在圆辊表面沿母线加工成形似逗号的刃口，这种刮刀具有高的强度和硬度，易于控制涂布量和涂布精度，适用于高固含量和高黏度的浆料。

图1 逗号刮刀涂布示意图

辊涂转移式

涂辊转动带动浆料，通过逗号刮刀间隙来调节浆料转移量，并利用背辊和涂辊的转动将浆料转移到基材上，工艺过程如图2所示。辊涂转移涂布包含两个基本过程：（1）涂布辊转动带动浆料通过计量辊间隙，形成一定厚度的浆料层；（2）一定厚度的浆料层通过方向相对的涂辊与背辊转动转移浆料到箔材上形成涂层。

图2 辊涂刮刀转移涂布工艺示意图

狭缝挤压涂布

作为一种精密的湿式涂布技术，如图3所示，工作原理为涂布液在一定压力一定流量下沿着涂布模具的缝隙挤压喷出而转移到基材上。相比其它涂布方式，具有很多优点，如涂布速度快、精度高、湿厚均匀；涂布系统封闭，在涂布过程中能防止污染物进入，浆料利用率高、能够保持浆料性质稳定，可同时进行多层涂布。并能适应不同浆料粘度和固含量范围，与转移式涂布工艺相比具有更强的适应性。

图3 狭缝挤出式涂布示意图

要形成稳定均匀的涂层，涂布过程中就需要同时满足这几个条件：

（1）浆料性质稳定，不发生沉降，粘度、固含量等不变化。

（2）浆料上料供应稳定，在模头内部形成均匀稳定的流动状态。

（3）涂布工艺在涂布窗口范围内，在模头与涂辊之间形成稳定的流场。

（4）走箔稳定，不发生走带滑动，严重抖动和褶皱。

涂布操作窗口是狭缝涂布一个重要的工艺参数，在实际生产中，当工艺参数超出操作窗口的范围时，涂布缺陷便会产生。而涂布膜出现的缺陷种类众多，原因各异，本文主要针对锂离子电池狭缝挤压涂布，就几种常见缺陷进行分析，并给出相应解决方案。常见缺陷有点缺陷、边缘效应、锯齿缺陷等。

1 点状缺陷

1.1 气孔 ：一是气泡产生(搅拌过程、输运过程、涂布过程); 气泡产生的针孔缺陷比较容易理解，湿膜中的气泡从内层向膜表面迁移，在膜表面破裂形成针孔缺陷。气泡主要来自搅拌、涂液输运以及涂布过程。

1.2 异物缩孔 ：各种颗粒(灰尘、油污、金属颗粒等) 产生。外来颗粒的存在导致颗粒表面处的湿膜存在低表面张力区域，液膜向颗粒周围发射状迁移，形成缩孔点状缺陷，如图4所示。预防措施主要有:涂液过滤除铁、环境粉尘控制、基材表面清洁。

图4 异物颗粒处表面张力低，涂液向四周迁移

1.3 团聚体颗粒凸起 ：如果浆料搅拌不均匀，导电剂没有分散开，形成团聚体时就会产生此类缺陷，如图5所示，极片表面出现大面积的凸起，放大这些地方观察，发现这是导电剂的团聚体。这种缺陷主要还是改善浆料搅拌工艺来消除。

图5 团聚体颗粒凸起SEM形貌

2 线状缺陷

2.1 划痕 ：与涂布方向平行的线状薄区或漏箔线条，如图6所示。

图6 涂布极片划痕缺陷

• 可能原因

– 异物或大颗粒卡在狭缝间隙内或涂布间隙上

– 基材质量不佳，造成有异物挡在涂辊与背辊的涂布间隙上

– 模具模唇损伤

• 对策

– 清除唇口或涂布间隙的颗粒、检查模头唇口

2.2 竖条道 ：与涂布方向平行的波纹，如图7所示。

图7 涂布极片竖条道缺陷

• 可能原因

– 通常发生于接近涂布窗口的速度上限，薄涂层更明显。

• 对策

– 调整浆料粘度

– 降低涂布速度

– 降低涂辊与背辊之间的涂布间隙

2.3 横向纹 ：垂直于涂布方向，固定间隔所产生的波纹或线条。

• 可能原因

– 机械震动

– 走带速度波动

– 浆料供料的流动发生周期性波动

• 对策

– 确认机械扰动频率与横纹发生频率是否相同

3 边缘效应

3.1 厚边： 涂布过程，经常出现边缘厚，中间薄的现象，即厚边。产生厚边的原因是表面张力驱动下的物质迁移。如图8所示，开始时，湿膜的边缘处较薄，溶剂挥发速度较中间快，导致边缘固含量迅速升高，边缘的表面张力远大于中间湿膜的表面张力，边缘处较大的表面张力以及较快的溶剂挥发驱动内侧液体向边缘移动，烘干后形成厚边。

图8 干燥过程中厚边现象产生过程

涂布厚边现象是一种不利的缺陷，阻止和缓解厚边现象的措施有：

（1）浆料流量一定时，减小狭缝尺寸能够增加浆料在模头的出口速度，从而降低浆料的拖曳力比值，进而减小厚边涂层的厚度，但是狭缝尺寸变小模头内部的压力更大，更容易造成模头出口形状的膨胀，从而出现涂层横向厚度不均匀性，这需要更高精度的涂布设备配合。

（2）涂布间隙减小能够有限减小厚边涂层的厚度和宽度。

（3）降低浆料的表面张力，如添加界面活性剂等，抑制干燥过程中浆料向边缘的流延。

（4）优化狭缝垫片出口形状，改变浆料流动速度方向和大小，降低边缘浆料的应力状态，减弱浆料边缘膨胀效应。

参考文献：

[1]迟彩霞, 张双虎, 乔秀丽,等. 狭缝式涂布技术的研究进展[J]. 应用化工, 2016, 45(2):360-363.

[2]MohantyD, Hockaday E, Li J, et al.Effect of electrode manufacturing defects onelectrochemical performance oflithium-ion batteries: Cognizance of the batteryfailure sources[J]. Journal of Power Sources. 2016, 312: 70-79.

[3]刘大佼. 狭缝式模具涂布技术及模具设计操作讲义.2015

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锂电池分切工序毛刺分析

1、锂电池极片圆盘剪的裁切方式具有完全不同的特点

(1)极片分切时，上下圆盘刀具有后角，类似与剪刀刀刃，刃口宽度特别小。上下圆盘刀不存在水平间隙，而是上下刀相互接触并存在侧向压力。

(2)板料分切时上下基本上都有橡胶托辊，平衡上下刀在剪切时产生的剪力和剪切力矩，避免板料的大幅变形。而极片分切没有上下托辊。

(3)极片涂层是由颗粒组成的复合材料，几乎没有塑性变形能力，当上下圆盘刀产生的内应力大于涂层颗粒之间的结合力，涂层产生裂缝并拓展分离。

2 、极片分切质量影响因素

影响毛刺的大小、断面形貌特征及极片尺寸精度等质量的因素有很多，根据现有的理论，可以总结为：极片的物理力学性能、极片厚度、上下成对刀具的侧向压力、上下成对刀具的重叠量、刃口磨损状态、咬入角、圆盘刀精度等。

(1 )材料物理力学性能的影响。 一般说，材料的塑性好，剪切时裂纹会出现得较迟，材料被剪切的深度较大，所得断面光亮带所占的比例就大；而塑性差的材料，在同样的参数条件下，则容易发生断裂，断面的撕裂带所占的比例就会偏大，光亮带自然也较小。

(2 )上下成对刀具侧向压力的影响。 在极片的分切中，刀具侧向压力是影响分切质量的关键因素之一。剪切时，断裂面上下裂纹是否重合、剪切力的应力应变状态都与侧向压力的大小关系密切。侧向压力太小时，极片分切可能出现分切断面不齐整、掉料等缺陷，而压力太大，刀具更容易磨损，寿命更短。

(3 )上下成对刀具的重叠量的影响。 重叠量的设置主要与极片的厚度有关，合理的重叠量有利于刀具的咬合，其影响包括剪切质量的优劣、毛剌的大小和刀具刃口磨损快慢等问题。

(4 )咬入角的影响。 咬入角增加，剪切力所产生的水平分力也会增大。如果水平分力大于极片的进料张力，板材要么打滑，要么在圆刀前拱起来而无法剪切。而咬入角减小，刀片的直径就要增大，分条机的尺寸相应的也要增大。因此如何平衡咬入角、刀片直径、板料厚度以及重叠量，必须参考实际工况而定。

3 、极片分切的主要缺陷

极片分切断面典型形貌图，断裂面涂层主要颗粒之间相互剥离断裂，而集流体发生塑性切断和撕裂。当极片涂层压实密度增大，颗粒之间的结合力增强时，极片涂层部分颗粒也出现被切断的情况。极片分切中存在的主要缺陷包括以下几种：

(1 )毛刺

毛刺，特别是金属毛刺对锂电池的危害巨大，尺寸较大的金属毛刺直接刺穿隔膜，导致正负极之间短路。而极片分切工艺是锂离子电池制造工艺中毛刺产生的主要过程。图3所示即为极片分切产生的金属毛刺的典型形貌，极片在分切时形成了集流体毛刺，尺寸达到100μm以上。通过切刀倒角、刀具侧向压力以及收放卷张力的调节来控制毛刺的数量和尺寸。

为了避免这种情况出现，调刀时根据极片的性质和厚度，找到最合适的侧向压力和刀具重叠量是最关键的。另外，通过还可以切刀倒角，收放卷张力来改善极片边缘品质。

(2 )波浪边

极片分切时存在的掉料和波浪边缺陷，波浪边。出现波浪边时，极片分切和卷绕时会出现边缘纠偏抖动，从而引起工艺精度，另外对电池最终的厚度和形貌也会出现不良影响。

(3 )掉粉

极片出现掉粉会影响电池性能，正极掉粉时，电池容量减小，而负极掉粉时出现负极无法包裹住正极的情形，容易造成析锂。

以上品质问题主要都是通过寻找合适的调刀参数来解决。

(4 )尺寸不满足要求

极片分切机是按电池规格，对经过辊压的电池极片进行分切，要求分切极片尺寸精度高等。卷绕电池设计时，隔膜要包裹住负极避免正负极极片之间直接接触形成短路，负极要包裹住正极避免充电时正极的锂离子没有负极活物质接纳出现析锂，一般地，负极和隔膜、负极和正极的尺寸差为2-3mm，而且随着比能量要求提高，这个尺寸差还不断减小。因此，极片尺寸精度要求越来越高，否则电池会出现严重的品质问题。

注：源于生产实践或工艺实验结果。