锂离子电池涂布工序极片干裂技术研究

1 引言

锂离子电池在涂布过程中，极片表面容易出现粗细不一的裂纹，细裂纹宽度小于1mm，宽裂纹宽度甚至达到5mm，干裂严重的部位会发生露箔现象，导致极片报废；干裂轻微的部位辊压后会出现印痕，影响产品质量，进而导致公司生产成本增加。因此优化涂布工序极片干燥工艺，对提高产品质量，降低生产成本非常必要。

2 研究背景及原因分析

极片表面质量会直接影响电池性能，涂布生产过程中主要通过调节烘箱温度、风速和涂布速度来控制极片干裂问题，但是在生产涂层较厚的电池时，调节温度和速度不能完全解决此问题，从而产生大量干裂极片，见下图1，导致生产成本增加或电池性能下降。

图1 干裂极片

统计发现，造成涂布干裂主要有两大原因。一是涂布过程产生极片干裂，二是涂布停机时产生极片干裂，统计显示此类干裂占比高达68％。在极片烘干过程中，浆料性能、极片涂层厚度、涂布机烘干参数三者之间需要相互协调达到平衡状态才可使极片干燥过程可控，否则就会出现极片干裂，此时需要同时考虑这三种因素的匹配情况，共同提高来做出改善，生产中倾向于在提高生产效率的情况下，对生产设备不做大的改动，只对涂布过程的烘干工艺参数做优化，这样不会增加额外成本，本文主要通过调节烘箱进风大小进行干裂控制。对于停机干裂方面，频繁停机的原因主要有停机换卷、取样测试和涂布过程中出现颗粒划痕被迫停机。由于极片在停机时各个部位受热不均匀，造成受热边缘在干燥的过程中有的地方极片表面干燥过快，有的过慢，涂层内产生的内应力没有完全释放就会开裂。可通过减少停机、连续生产来达到减少停机干裂的目的，在解决干裂的问题的同时，提高了生产的连续性，同时也减少了划痕等涂层表面缺陷。

3 优化及试验

3.1 生产过程干裂优化

正常涂布生产过程中，观察发现发生干裂主要在第4、5、6三节烘箱，通过科技查新，结合各大电池公司的生产经验，减小中间烘箱正对湿涂层的风口大小可以减少涂布产生干裂的概率，所以本试验设计把4、5、6三节烘箱的进风口大小从80％~100％减小到45％~60％。通过优化烘干参数改善极片干裂比例。

试验结果：通过调节中间烘箱进风口，使涂布走带过程中发生干裂的比例大大减小，干裂报废率降低了27％。

3.2 停机干裂优化

干裂报废超过一半是涂布过程中停机时发生的，停机三大原因分别是换卷停机、取样测试停机和出现划痕时停机。为了减少停机干裂，需要减少换卷停机次数和降低涂布划痕；一旦停机，可通过调节单、双面涂布的进风口进行控制，从而降低停机干裂极片比例。

3.2.1 采用无纺布滤芯减少划痕停机

涂布过程中，当涂布模头出现颗粒时，需要停机将颗粒从涂布模头喷出或者使用塞尺将颗粒划掉，随后再进行涂布，而在此过程中，由于极片在烘箱内部停留时间较长，极片表面出现干裂。通过在涂布机头串联无纺布滤芯的方法可减少划痕出现的频率，从而减少停机次数，进而减少因停机产生的涂布划痕及干裂。

3.2.2 采用自动换卷减少涂布停机

换卷停机包括机头换卷停机和机尾收卷停机，机头换卷停机次数可通过增加涂布单面的收卷长度来大幅降低，例如从1000m提高到2000m可以减少一半的换卷次数，从而减少换卷停机产生的干裂极片；机尾收卷从人工换卷芯全部改成自动换卷，可以把收卷停机干裂比例降为0。

3.2.3 调节双面涂布的进风口大小

观察发现双面涂布的极片容易在烘箱的前3节产生停机开裂，试验通过减小烘箱进风口大小，减少极片在烘箱停机开裂的数量。

表1 调节双面涂布进风口大小

烘箱 N0.	正常生产		试验1		试验2		试验3		试验4
	上鼓风口大小	下鼓风口大小	上鼓风口大小	下鼓风口大小	上鼓风口大小	下鼓风口大小	上鼓风口大小	下鼓风口大小	上鼓风口大小	下鼓风口大小
1	75％	60％	45％	60％	45％	60％	20％	60％	30％	60％
2	75％	75％	45％	75％	45％	75％	20％	75％	30％	75％
3	75％	80％	45％	80％	45％	80％	20％	80％	30％	80％
4	30％	80％	30％	80％	30％	80％	30％	80％	50％	80％
5	30％	75％	30％	75％	30％	75％	50％	75％	30％	75％
6	45％	45％	45％	45％	45％	75％	70％	75％	45％	75％
7	45％	50％	75％	50％	75％	75％	75％	90％	75％	60％
8	45％	80％	75％	80％	75％	80％	85％	90％	85％	80％

试验1：减小前3节上风口，为保证极片不湿，调大7、8节上风口，试验结果：涂出极片偏湿；

试验2：为提高烘干效果，加大6、7节下风口；试验结果：第2、3节停机开裂严重，有横裂纹；

试验3：为减少停机开裂，继续减小前3节烘箱上风口；试验结果：极片偏湿，前3节烘箱内极片无明显开裂；

试验4：减少偏湿，所以增大前3节烘箱上进风口，同时由于七八节烘箱内极片悬浮贴住风刀，所以减小下风口；试验结果：停机不再有明显横向干裂。

试验结论：

1、通过调小前3节上进风口的大小，减少了极片停机时所受直接的热冲击效应，这样可以提高上下涂层升温的均匀性；

2、由于前3节烘箱内的极片涂层还处于液态，如果上风热冲击过于强烈，那么涂层下面还没升温，上层已经发生大量蒸发，从而下涂层在后续蒸发NMP过程中会冲破上涂层，产生干裂；减小前3节烘箱上风口正是为了减小此效应；

3、前3节烘箱的上进风口都减小到30％，在保证涂层不湿的情况下，可以达到减少停机开裂报废的目的；

4、通过调节双面涂布的进风口大小，干裂的报废率降低了51％。

3.2.4调节单面涂布的进风口大小

借鉴双面涂布通过调节进风口大小减少停机开裂，单面涂布也通过调节进风口大小达到减少停机开裂，降低干裂报废率。

表2 调节单面涂布进风口大小

烘箱 N0.	正常生产		试验1		试验2		试验3		试验4
	上鼓风口大小	下鼓风口大小	上鼓风口大小	下鼓风口大小	上鼓风口大小	下鼓风口大小	上鼓风口大小	下鼓风口大小	上鼓风口大小	下鼓风口大小
1	90％	20％	40％	90％	60％	90％	60％	90％	60％	90％
2	90％	85％	40％	90％	60％	90％	60％	90％	60％	90％
3	100％	75％	45％	90％	60％	90％	60％	90％	60％	90％
4	95％	100％	45％	100％	60％	100％	60％	100％	60％	100％
5	70％	70％	45％	80％	60％	80％	60％	90％	60％	100％
6	65％	100％	65％	100％	65％	100％	55％	100％	60％	100％
7	45％	95％	75％	95％	75％	95％	75％	90％	45％	90％
8	100％	90％	100％	90％	100％	90％	100％	90％	100％	90％

试验1：减小前5节上风口，为保证极片不湿，调大下风口及7节上风口，试验结果：极片偏湿，涂布产生细裂纹；

试验2：为提高烘干效果，调大前5节上风口大小；试验结果：偏湿减轻；走带裂纹消失；第5、6节烘箱极片靠下风口，第7节烘箱极片偏上；

试验3：针对试验2问题，调大第5节下风口，调小第6节上风口，调小第7节下风口；试验结果：第5、6节烘箱极片靠下风口，第7节烘箱极片偏上；

试验4：参考未调前参数，把第7节上风口还调回到45％，把第5节烘箱的下风口调到最大；试验结果：第5节烘箱内极片略有上浮，第7节烘箱内极片恢复正常。

试验结论：

1、调节进风口后停机干裂情况如表3所示；

表3 停机干裂情况统计

停机时长/s	有无连续横裂纹	有裂纹片长/m
15	无	0.5
60	无	＜1
90	无	＜2

2、通过调小前5节烘箱上进风口大小至60％，可以减少停机横向裂纹的产生，停机干裂长度从5m降低到2m以下；

3、通过调节单面涂布的进风口大小，干裂的报废率降低了25％。

4 试验结果

针对涂布干裂报废问题，分别从涂布工艺及烘干参数入手，进行多项试验以减少涂布干裂出现的几率并减少停机次数，达到降低停机干裂报废的目的。

图2 干裂极片报废率对比图

通过上述方法进行试验，数据见上图，从中可以看出，试验前后干裂极片报废率由最高点5.4％降低至0.47％，效果较好。

5 结语

针对锂离子电池涂布工序出现的极片干裂现象，可通过调节涂布机中间烘箱进风口大小来降低涂布走带过程中的极片干裂现象；通过采用涂布机头串联无纺布滤芯减少划痕停机，通过增加单面收卷长度、采用自动换卷来减少换卷停机，通过调节涂布单双面涂布烘箱进风口大小来减少停机过程中的极片干裂现象。经长期试验跟踪，效果良好，可在涂布工序全面推广。