高速、高精智能化锂电池涂布机关键技术研究*

张红梅，卢 亚，明五一，周晓雄

0 引言

大容量动力蓄电池逐渐成为动力电源的主体，其中作为绿色蓄电池的动力锂电池，以其能量高、工作电压高、工作温度范围宽、体积小、质量轻、贮存寿命长等特点，且具有不会造成二次污染、不具有记忆效应等优点，已成为新能源储能、新能源汽车动力电源、航空航天市场应用的首选[1-3]。

但锂电池生产装备仍是制约国内当前锂电池产业发展的一个重要瓶颈，如搅拌、涂布、卷绕、注液作为锂电池制造的关键工艺环节，对装备的依赖性非常高[4-7]。国外高端装备虽然生产效率高，品质优良，但价格昂贵，且难以适应国内的原材料及生产环境；国内装备在自动化程度、生产速度、生产电池的品质及一致性等方面与国外高端装备相比还存在较大差距；整个锂电池生产行业亟需适应国内需求的高速高精、智能化生产程度高的搅拌、涂布、卷绕、注液等关键设备。

此外，国务院发布的《关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》（国发〔2010〕32号）指出：“十二五”期间我国将重点培育和发展新能源、新能源汽车、高端装备等七大战略性新兴产业，到2015年，战略性新兴产业增加值占国内生产总值的比重力争达到8%左右；到2020年，这一比重将力争达到15%左右；再经过10年左右的努力，战略性新兴产业的整体创新能力和产业发展水平达到世界先进水平，为经济社会可持续发展提供强有力的支撑。

1 锂电池涂布机的主要工艺流程

锂电池涂布机主要是用来将阴阳极锂电池浆料均匀地涂覆在厚度为6～30μm的铜箔或铝箔上面，并进行烘干处理，烘干后极片的厚度约为0.1～0.2mm。其工艺流程为：安放在放卷装置上的极片基材经自动纠偏后进入浮辊张力系统，调整放卷张力后进入涂布头，极片浆料按涂布系统的设定程序进行涂布。涂布后的湿极片进入烘箱由热风进行干燥。干燥后的极片经张力系统调整张力，同时控制收卷速度，使它与涂布速度同步。极片由纠偏系统自动纠偏使其保持在中心位置，由收卷装置进行收卷。具体见图1。

图1 锂电池涂布机主要工艺流程及其示意图

2 锂电池涂布机的主要研究内容

图2 锂电池涂布机主要研究内容

从图1可见，锂电池涂布机主要包括放卷、挤压涂膜、极片烘干收卷几个过程，辅以张力纠偏、实时监测等。放卷是将待涂布卷料基材展开；挤压涂膜是将阴阳极浆料通过泵送系统由周转罐，通过挤压模头，与涂布背辊配合将浆料均匀快速涂布到基材铜铝箔上的过程；极片烘干是将涂布有湿的阴阳极浆料的极片通过热风烘干的过程；收卷是将烘干后的极片整齐的收成卷料，待后面的工艺使用；张力是用来控制极片的张紧程度，纠偏是用来控制极片的对齐程度；实时监测则包括膜厚监测、张力监测等，以保证整个涂布过程的顺利进行。要实现动力锂电池高精度高均匀性下的高效涂布，即是要改进涂布过程中的上述几个方面。

3 锂电池涂布机的关键技术研究

3.1 挤压涂布技术

本装备中的挤压涂布系统主要包括浆料泵送系统、挤压模头及控制系统，具体见图3所示。

图3 挤压涂布系统结构图

挤压涂布过程中的关键在于挤压模头的设计，而模头的设计必须依据浆料的流变特性，故本装备研发过程中首先根据高粘度高固含量锂电池电极材料的特性，获取浆料的流变曲线。在此基础上，根据测得的浆料的流变曲线和粘度特性，进行挤压模头腔体的设计，并进行数值模拟和仿真分析，如图4、图5所示。根据仿真分析的结果，得到最佳的挤压模头型腔形状，从而使得浆料在模头唇口处的压力、流速、流量等达到均匀稳定。

图4 设计腔体形状图

图5 设计腔体的应力分析图

3.2 快速烘干技术

在涂布过程中，烘干快慢直接决定了涂布的速度；烘干的质量直接决定了电池的性能，所以一种高效又高质的烘干技术非常重要，本项目从以下两个方面来解决上述问题，从而达到又快又好的烘干极片。

（1）悬浮式烘干技术

前面4节烘箱主传动方式，伺服电机控制，导辊呈弧形分布，总落差400 mm以上；导辊表面镀硬铬，直径ϕ60 mm；后面的烘箱全部采用悬浮烘箱。现在的其悬浮式风嘴机构如图6所示，左边的为常用风嘴，右边为改进型风嘴设计。

图6 悬浮式风嘴机构示意图

正常工作温度控制、超温监测报警保护控制，超温时将出现声光报警，并切断加热主电源；各段完全独立控制；单节温差：≤5℃；温控表显示精度0.1℃；高温过载保护。上、下吹风，上下风量通过阀门分别控制，单节总风量由变频电机控制；上下风室共用加热体；上下腔体压力监测，腔体内外压差监测。

（2）基于空气动力学的风道设计

烘箱内的温度的传导主要以空气为介质，将温度均匀地传递到烘箱内的各个区域，为了保证极片烘干时的效果，避免外干内湿、皲裂等现象，需要保证温度在整个烘箱内的温度分布合理。故此，本装备将基于空气动力学来从理论上对烘箱的设计进行指导，包括风嘴的位置、开口的大小、风速的大小等方面，其干燥系统图如图7所示。

图7 干燥系统示意图

3.3 实时张力控制与纠偏技术

在涂布的过程中，主要是将浆料涂覆在基材上面，基材是厚度为6～30μm的铜箔或铝箔卷料，为保持涂布的均匀，且干燥快速，需要利用收放卷机构及张力和纠偏系统来控制卷料基材的运动速度从而保证涂布质量。总的来说张力和纠偏系统主要包括三个部分：一是放卷部分的张力和纠偏控制，本装备采用闭环自动控制恒张力，0～15 kg可调，误差≤3%；二是烘干部分出烘箱段的张力，本装备采用闭环控制自动控制恒张力，张力0～25 kg可调；三是收卷部分的张力，闭环控制，通过控制浮辊位置恒定的方式控制张力稳定，电气比例阀给定张力，张力传感器检测张力，张力设置范围50～200 N，变张力收卷，锥度系数0～50%。最终达到保持张力稳定以使涂布均匀，同时收卷整齐，避免起皱。张力控制原理图如图8所示。

图8 张力控制原理图

锂电池的基材非常薄，通常为30微米以内，在涂布的过程中，若不采取纠偏处理，则容易引起基材起皱，导致涂布不均匀，收卷不整齐，更有甚者会导致基材局部拉力过大而破坏基材。本装备中采用自动EPC（对边纠偏）边缘检测纠偏方式来保证基材的平行度和平整度，通过电气驱动超声波检测（可检测透明箔材），移动范围±50mm，纠偏控制器精度＜±0.2mm，从而使涂膜边沿对齐度≤±0.5mm。

3.4 实时膜厚监测反馈闭环控制技术

从整个涂布机的结构和组成可以看到，涂布质量是多个部分，多个因素共同作用的结果，任何一点细微的变动都可能会引起最终的涂布厚度均匀性达不到产品要求，故采取了上述的各种措施，如采用特制的挤压模头、先进的张力和纠偏技术、快速烘干技术之外，还需要对产品的质量进行实时在线监测，并闭环自动调整，才能保证生产的产品满足后续生产需要和锂电池产品质量要求。本项目采用Beta-ray测厚技术，配合闭环自动控制技术来达到涂布厚度的实时监测反馈闭环控制，具体如图9所示。

图9 实时监测反馈闭环控制原理图

4 结束语

图10 高速、高精智能化锂电池涂布机样机

本项目研发出了具有自主知识产权的单面精密快速挤压涂布机，样机如图10所示。该装备在满足性能要求的同时降低了我国锂电池制造企业的生产成本，可替代昂贵的进口产品。项目综合采用运动控制、伺服驱动、传感器、计算机技术等多种学科和技术，属集成创新，通过关键工艺、新型结构、关键技术等方面的创新研究应用，实现了放卷、纠偏、张力控制、浆料输送、涂布、烘干、收卷等多功能复合一体化结构，涂布速度为15～30m/min，部分指标达到国际先进水平。