涂层技术是一种基于流体特性研究的过程,它涉及将一层或多层液体涂覆到基材上。基材通常是柔性薄膜或纸张。然后,使用烘箱干燥等方法对液体涂层进行干燥或固化,以形成具有特殊功能的层,例如锂离子电池电极涂层。目前,锂离子电池电极的涂布方法主要有逗号辊转移涂布和狭缝模头挤出涂布。
01涂布机的原理和分类
电极涂布设备的原理涉及将正极或负极配方所需的材料均匀混合,然后在铝箔或铜箔的正面和背面涂覆或层压。如有必要,可以使用机电集成装置,通过能量传导从浆料中蒸发溶剂,从而满足客户的技术要求。

通过调整涂布辊和逗号刀片之间的间隙,浆料被计量到涂布辊上。然后,通过调整后辊和涂布辊之间的间隙,将涂布辊上计量的整个浆料转移到箔上。

这是一种用于高精度计量涂布的装置,通过计量泵和狭缝模头将牛顿或非牛顿流体浆料均匀地涂布到基材表面。涂层厚度的计算公式如下:
涂层厚度 = 计量泵流量 / (涂层宽度 * 涂层速度)
此外,模具是狭缝模涂布方法的重要组成部分,是决定涂布精度的关键因素之一。随着镀膜速度的提高,一些客户现在正在使用真空室机构来确保高速镀膜过程中的镀膜质量。通常,当涂布速度为 ≥30m/min 时,需要考虑该负压室的结构。
模具的设计应考虑以下因素:
根据浆料的流变参数计算和模拟流道腔。
对上下模唇的平整度和直线度的要求。
模具的材料选择,最好使用不锈钢。
防止使用过程中产生金属异物。如果不可避免,应实施适当的保护措施,以防止异物进入浆料。
易于拆卸和清洁。
干法电极制备原理(如图所示):

涂层技术有可能成为一项颠覆性创新,尤其是与固态电池技术相结合时,可以满足未来先进锂电池的需求。例如,硫化物固态电解质和干法电极技术的结合前景广阔。该技术的优点如下:
它可以满足欧洲严格的环保要求,使生产过程环保。
它确保了生产过程中的安全。传统的锂电池正极涂层浆料使用 NMP(N-甲基-2-吡咯烷酮)作为溶剂,安全特性较差。
设备投资成本低,并且需要更小的占地面积,对环境湿度的要求更低。
它能够生产更厚的电极膜,从而实现相同的体积能量容量,同时节省箔和隔膜材料。这在物料清单 (BOM) 成本方面提供了显著优势。
02 设备组成及关键结构
该设备由放卷单元、涂布单元(含进料系统)、干燥单元、出料单元、收卷单元五个主要部分组成。涂布机单元的配置如图所示。

2.1 放卷装置
放卷方法有两种:自动编带拼接和手动编带拼接。手动胶带拼接和放卷装置如图所示。

待加工材料安装在放卷轴上,经过边缘对齐和张力控制后被引导到涂层部分。该设备的主要控制点是放卷边缘对齐和张力控制。
边缘对齐由专用的边缘位置控制 (EPC) 单元实现。超声波位置检测传感器(能够检测透明薄膜)持续监控材料边缘的位置。放卷装置由电机驱动向左或向右移动,确保材料边缘和边缘对齐传感器之间的恒定相对位置。
边缘对齐有三种模式:全自动,系统在通电时自动接合边缘对齐(基于传感器的反馈来驱动电机);半自动,系统在自动操作(涂层和牵引)期间进行边缘对齐,在停止期间进行手动边缘对齐;和手动模式,其中边缘对齐机构只能手动操作,而与系统状态无关。
张力控制由浮动辊位置控制和实际张力检测控制两部分组成。浮动辊位置控制的原理如下:在自动运行时,PLC 控制器根据电位计的实时反馈信号(0% 至 100%),使用 PID 算法调整放卷轴电机的速度,旨在保持恒定的浮动辊位置(默认位置设置为 50%)。
2.2 涂布装置和进料和间歇阀系统
(1) 涂布单元

物料从放卷装置送入涂布辊后,通过进料压辊进行张力隔离(分离放卷和出料之间的张力),然后通过涂布辊,然后被引导进入干燥炉。该装置的主要控制点是整体机器速度的稳定性以及模具与背衬辊之间的间隙值。
模具和背衬辊之间的位移由两部分驱动。通过气缸实现大规模运动(向前和向后),而左侧和右侧的伺服电机驱动精确定位(实际位移由分辨率为 0.1 μm 的高精度线性编码器检测)。
(2) 进料系统
进料系统包括储料罐、计量泵、除铁器、过滤器和连接管道。最初,将浆料添加到储罐中。涂层开始后,储罐中的浆料通过连接的管道、除铁器和过滤器泵入狭缝模头进行涂层。当液位传感器检测到储罐中的浆料达到指定液位时,开始向储罐进料。当浆料达到指定液位时,液位传感器会发送命令以停止向储罐进料。
2.1 干燥装置

干燥原理示意图如图所示
由涂布装置产生的含有液体溶剂成分的浆料与薄膜一起进入干燥炉。为了安全有效地蒸发溶剂,必须控制干燥炉各段的温度、送风量、排气量等参数。单段式温度控制系统由加热元件和循环风扇组成。风扇由变频电机驱动,风量和风速可以通过设置频率(与频率成正比)来调节。根据传感器检测到的温度控制点的温度变化进行持续控制,从而保持加热温度,从而确保干燥过程的质量。
2.2 卸料装置
干燥后,薄膜进入卸料装置。卸料装置控制干燥炉内薄膜的张力和边缘位置。该设备的主要控制点是干燥区的边缘对齐和张力控制。
边缘对齐类似于放卷装置,使用专用的边缘位置控制 (EPC) 系统。边缘位置检测传感器持续监测薄膜边缘的位置,而卸料装置会调整其位置,以保持薄膜边缘与边缘对齐传感器之间的恒定相对位置。
2.3 收卷装置
绕线方法有两种:自动绕线和手动绕线。
生产完成后,成品薄膜在被引导到收卷轴上之前要经过边缘对齐和张力控制。该装置的主要控制点是收卷过程中的边缘对齐和张力控制,类似于放卷装置。
在卷绕过程中,为防止层间打滑,避免过度松紧或抽芯,需要调整卷绕张力锥度。
03 设备选型
3.1 设备选型原则
(1) 安全第一:
由于我们的涂布机中存在 NMP 有机溶剂,因此必须根据行业标准《锂离子电池工厂设计标准》(GB 51377-2019) 满足严格的防爆要求。
(2) 确保电池安全,防止外来金属污染:
在锂离子电池的生产过程中,防止引入异物金属颗粒至关重要。因此,与浆料和电极片接触或靠近它们的部件不应由铜、锌或锡制成。
(3) 设备及参数的选择:
目前,主要使用狭缝模涂布方法。
(4) 涂布模头的选择:
(1) 由于电池浆料是非牛顿流体,因此需要进行流变参数测试。通常使用专用流变仪来确定这些参数。涂布模头的流道形状应根据计算的流变参数和模拟结果进行设计,以确保涂布精度。
(2) 建议将涂布模头向上安装成 25° 角。这允许在清洁模具后从管道和型腔中快速释放空气,并防止使用模具回流管来替代排气功能。
(3) 给水泵的选择:
通常使用高精度计量螺杆泵。泵的规格和型号是根据所需的流量选择的。为了提高泵送精度,建议使用双泵结构,以减少脉动并确保高精度。
(4) 干燥炉的选择:
(1) 每节的总长度和长度:
首先,确定干燥炉各段的长度。建议每段长度不小于 4m。干燥速度越快,截面长度应越长。但是,应考虑运输和组装的可行性。建议每个部分的最大长度不超过 5m。干燥炉总长度的确定基于干燥过程和涂布速度参数,这些参数通常由用户提供。然后,设备制造商满足这些工艺要求。
(2) 炉内干燥温度范围:
推荐的温度范围为室温至 140°C。 如果有特定的工艺要求,可以考虑定制。通常,最高温度不应超过 160°C。
(3) 炉内干燥风速范围:
建议范围为 5 至 20m/s,喷嘴精度在 ±20% 以内。
(5) 干燥炉内的基材运输:
(1) 对于厚度大于 6-10μm 的铜/铝箔基板,建议使用主动导辊和浮动干燥炉的组合。
(2) 对于厚度小于 6-10μm 的铜/铝箔基板,由于抗拉强度降低,建议使用主动导辊。
绕组直径的选择:
由于放卷直径是根据进料直径匹配的,因此我不会在这里提供详细说明。但是,有一些技术可以选择绕组直径。建议根据从分切或模切获得的单个电极片的累积长度来确定大卷的长度,然后将其转换为卷绕直径。计算公式如下:

在公式中,D 是线圈的直径;D0 是底部圆柱体的直径;T 是电极片的厚度;L 是电极片的长度。
只有这样,才能提高材料的利用率,减少浪费,降低成本。由于自动化程度的提高,根据公式可以看出,增加底部圆筒的直径可以更好地增加整卷电极片的长度,同时降低底部电极片的压力。提高绕线质量。