锂电池负极辊压鼓边现象的原因解读与防范对策

锂电池以其性能和安全性对各个领域的发展都具有重要意义。锂电池负极辊压后出现的鼓边现象却成为了制约其性能提升的一个关键问题。本文将和您深入探讨锂电池负极辊压后鼓边现象的原因，并提出一系列切实可行的防范措施，以提高电池的一致性和可靠性。

一、锂电池负极辊压鼓边现象的原因解读

边缘厚中间薄的现象，通常称为“厚边效应”，在锂电池极片的涂布和辊压过程中可能出现，这种不均匀的干燥或压实会导致箔材在后续的收卷或其他加工过程中出现断裂。以下是对这一现象的进一步解读：

1. 干燥速度不均：涂布后，由于边缘部分的表面积相对较大，可能导致其干燥速度比中间部分快，从而在边缘形成较厚的湿膜。

2. 液体迁移：中间部分的液体在干燥过程中可能向边缘移动，导致中间部分变薄，边缘部分变厚。

3. 辊压不均：如果辊压过程中压力分布不均，也可能导致中间部分压实不足而边缘部分过厚。

二、防范对策

1. 调整干燥工艺：优化干燥过程，确保整个极片的干燥速度均匀一致。

2. 改变挡板设计：调整涂布机的挡板或泡棉形状，以减少边缘部分的湿膜厚度。

3. 优化涂布参数：调整涂布机的参数，如涂布速度、涂布间隙等，以减少液体迁移。

4. 使用导流结构：在涂布设备中加入导流结构，引导液体均匀分布，减少中间向边缘的迁移。

5. 辊压工艺优化：在辊压过程中，通过调整辊压速度、压力和温度等参数，实现更均匀的压实效果。

6. 极片设计：在极片设计时考虑边缘效应，可能需要对边缘部分进行特殊的设计以适应干燥和压实过程。

7. 实时监控：在涂布和辊压过程中实施实时监控，及时调整工艺参数，以避免厚边效应。

8. 后处理：对于已经出现厚边效应的极片，可以考虑采用后处理方法，如边缘修整，以减少边缘厚度。

三、总结

综合以上，通过上述措施，可以有效地减少锂电池极片在涂布和辊压过程中出现的边缘厚中间薄现象，从而降低箔材收卷断裂的风险，提高电池的整体质量和可靠性。

文章来源：锂电池技术知识平台

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锂电池极片挤压涂布厚边现象及解决措施

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作者：mikoWoo LIBLife 来源：锂想生活

在锂电池工业生产上，模头挤压涂布由于高精度、宽涂布窗口、高可靠性等优点成为应用最广泛的涂布方式。如图1所示，浆料由精确的进料系统（如螺杆泵）提供，进入模头内部型腔，在涂层宽度方向均匀分布，最后浆料受挤压通过模头狭缝，在移动的基材上形成涂层。由于浆料流体特性，在涂层起始点、终止点以及两侧边缘容易形成如图1中所示半月形特征。涂布工艺中，极片边缘出现的这种厚度突增的形貌被称为“厚边”现象。

图1 挤压涂布示意图

根据电池的结构设计和对应的工艺设计，锂电池极片涂布工艺可分为连续涂布和间歇涂布，如图2所示，连续涂布中，对电池性能和工艺有影响的厚边问题主要在涂层两侧边缘，而对于间隙涂布，除了两侧边缘，涂层的起始和结束边缘（头尾）同样可能存在这种厚边情况。这种厚边现象是不期望出现的，并会对电池的工艺过程和电池性能和一致性产生问题。

图2 连续涂布和间歇涂布方式结构示意图

厚边现象的危害

不管是连续涂布还是间歇涂布（如图2所示），这种半月形形貌特征都会严重影响涂层的均匀性。一般地，涂层边缘厚度比正常区域厚几微米至十几微米，在涂布干燥后收卷时，成百上千层极片收成一卷，涂层侧面边缘厚度凸起线累积成几毫米，导致极卷产生鼓边现象，严重时会造成极片断裂，这严重影响涂布收卷整齐度及其后续工序。

这种厚边情况也会影响极片的辊压工艺，由于边缘厚度较中间部位大几微米或十几微米，辊压轧辊压力作用在极片上时，边缘厚度大的区域承受更大的轧制力，从而导致极片辊压压实横向密度不一致，一方面这会造成辊压之后的极片翘曲度更大形成蛇形极片，在后续的分条或模切、卷绕等工艺过程中，极片张力分布不均衡，极片收放卷对齐度无法保证，这也会影响极片加工尺寸，容易出现不良品。

厚边现象造成的极片厚度、压实密度不均匀同样对电池性能有影响，在充放电过程中，可能出现电流分布不均匀，更容易形成极化。因此，电池极片在充放电膨胀、收缩过程中受力也不一致，厚边缘更容易失效。

一般地，3C电池工艺设计时，切除极片边缘来消除这种厚边的不利影响。而动力电池要求高功率和高能量，电池设计往往需要保留涂层边缘，因此，厚边现象更受关注，Marcel Schmitt等人就研究了涂布工艺参数对连续涂布两侧厚边的影响，期望理解和认识产生这种情况的原因。

厚边现象的定量描述

图3 涂层边缘厚度突增典型形貌图

为了分析涂层的边缘效应，作者引入一些特征参数来定量表征涂层的厚边现象。如图3所示，这是涂层边缘厚度突增典型形貌图，涂层中间厚度为H（图3中H=100μm），而涂层凸起点的厚度为HEdge，无量纲厚度H*定义为式（1）：

(1)

理想情况下，H*等于1，极片涂层边缘没有厚边情况产生。

公式（2）定义涂层厚边缘的无量纲宽度：

(2)

其中，B*为厚边缘的无量纲宽度，BEdge 为厚度凸起的涂层宽度，测量涂层的厚度，厚度值第一次检测到为H的105%时的位置定义为BEdge 的起点，继续横向测量厚度再变为H时位置定义为BEdge的终点，如图3所示，一般锂电池涂布中H*甚至能达到10以上。而厚边涂层的梯度R*定义为式（3）：

（3）

其中，BStep的终点位置为第一次检测极片厚度为集流体厚度的105%的位置。

以上三个无量纲参数用来定量描述极片涂层厚边缘的厚度、宽度和梯度特征。

厚边现象的影响因素

影响极片涂层厚边现象产生的因素主要有几个方面：（1）涂布模头的几何特征及涂布工艺参数，模头挤压涂布流场示意图如图4所示，模头几何参数和涂布工艺参数包括狭缝尺寸S、模头出口浆料流量q、模头与涂辊间隙尺寸G、涂布速度U、涂层湿厚H等；（2）浆料的性质，特别是浆料表面张力。

图4 模头挤压涂布外流场二维截面示意图

（1）涂布速度的影响

Marcel Schmitt等人锂离子电池负极浆料涂布工艺实验研究发现，涂布速度对厚边的无量纲厚度和宽度几乎没有影响，而会影响厚边的梯度特征R*，当涂布速度增加时，R*相应增加，即厚边缘厚度变化更尖锐，如图5所示。

图5 涂布速度与厚边梯度的关系

（2）涂布间隙的影响

1986年，Dobroth等人总结了厚边涂层厚度与涂布工艺的经验公式（4）：

（4）

其中，D为浆料拖曳力比值，定义为涂布速度U与浆料在出口的平均速度USlurry比值，具体可由式（5）计算：

（5）

式中，q为浆料体积流量，H为涂层湿厚，G为涂布间隙。因此，厚边涂层厚度与无量纲涂布间隙G*相关。

图6为无量纲涂布间隙G*与厚边无量纲厚度H*的实验数据图和公式预测关系，根据经验公式，涂布间隙增加时厚边厚度相应增加，但是从实验数据来看相关性不是特别大。而随着涂布间隙增加，厚边涂层的宽度增加，如图7所示。因此，减低涂布间隙是抑制厚边现象的一个有效措施。

图6 涂布间隙与厚边厚度的关系

图7 涂布间隙与厚边宽度的关系

（3）表面张力的影响

另外，浆料性质对厚边也具有巨大影响，一方面从模头挤压喷出时，粘弹性浆料流体会发生膨胀，由于受到模头边缘壁面的额外应力作用，边缘处浆料膨胀效应更明显，从而导致厚边现象产生。另外，浆料的表面张力作用下，涂层在干燥过程中发生流延也会造成厚边现象。如图8所示，涂层干燥时，各处干燥速度相同，而边缘处溶剂蒸发更快些，因此边缘成分变化更快时，如果浆料里面没有界面活性剂等添加剂，或者分散的颗粒悬浮液表面张力大于溶剂的表面张力时，浆料向边缘流动，最终导致厚边现象。

图8 干燥过程中厚边现象产生过程

厚边现象的解决措施

涂布厚边现象是一种不利的缺陷，根据以上实验结果和分析，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D，进而减小厚边涂层的无量纲厚度H*，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G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、降低粘度等，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。

来源：锂想生活

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