伴隨電動(dòng)汽車在國內(nèi)推陳出新、造車新勢力全球風(fēng)起云涌過程中，其背后的產(chǎn)業(yè)鏈也逐步走向大眾視野；過去十年是新能源電動(dòng)汽車的十年、是鋰電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的十年、是國內(nèi)工業(yè)升級(jí)縮影的十年、是中國又一全球第一產(chǎn)業(yè)橫空出現(xiàn)的十年。
縱觀鋰電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，整體布局可高度歸納為上游配件廠——鋰電生產(chǎn)廠——組裝pack廠——總成汽車廠四個(gè)環(huán)節(jié)；而在鋰電生產(chǎn)廠這一環(huán)節(jié)，核心瓶頸工序?yàn)殇囯姵貥O片涂布工藝；綜合統(tǒng)計(jì)電池生產(chǎn)整個(gè)環(huán)節(jié)、涂布工序所造成的不良異常影響占整個(gè)電池工藝的50%以上；涂布工序過程控制為電池制造的重中之重。本文從原理闡述、專業(yè)術(shù)語、控制點(diǎn)分解、后續(xù)展望幾個(gè)環(huán)節(jié)來鋪開；

鋰電池涂布工藝及關(guān)鍵控制點(diǎn)

進(jìn)入正題之前我們可以通過鋰電制造制程來對電池制造做簡單示意
鋰電池涂布工藝及關(guān)鍵控制點(diǎn)
其次我們通過涂布工藝在整段產(chǎn)線的價(jià)值占比來做簡單示意
鋰電池涂布工藝及關(guān)鍵控制點(diǎn)
原理闡述
涂布機(jī)顧名思義是一種將成卷的基材如紙張、布匹、皮革、鋁箔、塑料薄膜等，涂上一層特定功能的膠、涂料或油墨等，并烘干后收卷的機(jī)械設(shè)備。如此次疫情期間口罩生產(chǎn)所需的噴絨布制作即可理解為通過涂布工藝來成型。其存在在國家工業(yè)制造方方面面，此處特指將動(dòng)力鋰電池原料涂覆在電池導(dǎo)電基材上面的一種設(shè)備，通過此涂布方式來生產(chǎn)制造鋰電池正負(fù)極極片。
從工藝流程來講涂布是電芯制備過程中關(guān)鍵工序、從設(shè)備價(jià)值來講也是電芯制備過程中關(guān)鍵工序(高端系列售價(jià)過千萬)、從非線性控制角度來講更是電芯制備過程中關(guān)鍵工序；涂布的均勻性、一致性、對齊性、烘烤穩(wěn)定、粘結(jié)劑擴(kuò)散性、面密度穩(wěn)定性等都于此息息相關(guān)；涂布質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到電池質(zhì)量的優(yōu)劣，同時(shí)鋰離子電池由于體系的特點(diǎn)使得其對水分十分敏感，微量的水分就有可能會(huì)對電池的電性能產(chǎn)生嚴(yán)重的影響(811系列更明顯)；涂布性能的高低直接關(guān)系到成本、合格率等切實(shí)指標(biāo)。
專業(yè)術(shù)語——容量設(shè)計(jì)
電池設(shè)計(jì)容量=涂層面密度×活物質(zhì)比例×活物質(zhì)克容量×極片涂層面積
其中，面密度是一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)，主要在涂布和輥壓工序控制。壓實(shí)密度不變時(shí)，涂層面密度增加意味著極片厚度增加，電子傳輸距離增大，電子電阻增加，但是增加程度有限。厚極片中，鋰離子在電解液中的遷移阻抗增加是影響倍率特性的主要原因，考慮到孔隙率和孔隙的曲折連同，離子在孔隙內(nèi)的遷移距離比極片厚度多出很多倍。
專業(yè)術(shù)語——N/P比
負(fù)極活性物質(zhì)克容量×負(fù)極面密度×負(fù)極活性物含量比÷（正極活性物質(zhì)克容量×正極面密度×正極活性物含量比）
從安全使用角度對于負(fù)極類電池N/P要大于1.0，一般1.06~1.1，主要為了防止負(fù)極過快、不可逆析鋰。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮工序能力，如涂布面密度偏差。但是，N/P過大時(shí)電池會(huì)不可逆容量損失，導(dǎo)致電池容量偏低，電池能量密度也會(huì)對應(yīng)降低。而對于鈦酸鋰負(fù)極，采用正極過量設(shè)計(jì)，電池容量由鈦酸鋰負(fù)極的容量確定。正極過量設(shè)計(jì)有利于提升電池的高溫性能：在正極過量設(shè)計(jì)時(shí)，負(fù)極電位較低，更易于在鈦酸鋰表面形成SEI膜。
相比于傳統(tǒng)的鉛酸電池，鋰離子電池最大的相異點(diǎn)在于其電勢要明顯高于水的穩(wěn)定電壓范圍，傳統(tǒng)的水溶液電解液無法應(yīng)用在鋰離子電池中，因此人們開發(fā)了有機(jī)電解液體系，使得鋰離子電池能夠在高電壓下穩(wěn)定的工作。
由于鋰離子電池的特點(diǎn)使得其對水份十分敏感，微量的水分都會(huì)嚴(yán)重的影響鋰離子電池的性能，因此在整個(gè)生產(chǎn)過程中都必須要嚴(yán)格控制材料中的水分含量，這其中包含了涂布后電極的烘干過程，碾壓后的電極烘干過程，電芯卷繞后的烘干過程等，還包含在鋰離子電池整個(gè)生產(chǎn)過程中的環(huán)境水分控制，研究表明鋰離子電池在生產(chǎn)過程中33%的能量消耗在了電極的干燥過程中，46%的能量消耗在了干燥間的運(yùn)行過程(樣品)，因此鋰離子電池電極的干燥工藝對鋰離子電池的生產(chǎn)成本有著重大的影響。
同時(shí)電極在涂布烘干后，再次進(jìn)入到空氣環(huán)境中時(shí)還會(huì)發(fā)生在此的吸水，絕大部分吸水會(huì)發(fā)生在暴露在空氣中的首個(gè)小時(shí)。例如，石墨材料有80%的吸水會(huì)發(fā)生在暴露在空氣中的首個(gè)小時(shí)里，而對于玻璃纖維和LiFePO4這一比例還要更高。
含水量過高會(huì)嚴(yán)重的影響鋰離子電池的循環(huán)性能，為了保證鋰離子電池的使用壽命需要保證足夠的烘干，將電極的水分除去。不同的材料在烘烤的過程中水分蒸發(fā)的特點(diǎn)不盡相同，例如石墨材料和LiFePO4材料，含水量比較干，因此需要稍長一些的烘干時(shí)間，并在烘干后盡快使用，避免在空氣中暴露過長時(shí)間，減少材料吸水。
LiMn2O4材料烘干過程中水分釋放不徹底，也需要延長烘干時(shí)間，NCM523材料水分相對較少也比較容易烘干，烘干殘留水分較少，因此可以適當(dāng)減少烘干時(shí)間。LiCoO2材料水分含量最少，也非常容易烘干，因此可以簡化烘干制度。對于常見的聚合物隔膜，由于其本身水分很低，且不易吸水，因此可以不烘干，而玻璃纖維隔膜水分含量很高，并且非常容易再次吸水，因此必須采用更加嚴(yán)格的烘干制度，并減少其在空氣中的暴露時(shí)間。
良好的電極烘干工藝應(yīng)該在保證電極水分含量滿足要求的同時(shí)，又要盡量的節(jié)省烘烤時(shí)間，減少烘烤能量消耗。鋰離子電池生產(chǎn)中用到的材料種類很多，不同種類在烘烤過程中水分蒸發(fā)的特性不同（電極材料的比表面積、親水性、與水分子鍵合的強(qiáng)度是影響鋰離子電池含水量的關(guān)鍵因素之一），例如相比于傳統(tǒng)的鈷酸鋰材料，高鎳的NCA和NCM材料更加容易吸收水分，因此在制定烘烤工藝時(shí)需要根據(jù)材料的物理特點(diǎn)，制定針對性的烘烤工藝——節(jié)省烘干過程中的能耗，降低生產(chǎn)升本，提高電池利潤率。
控制點(diǎn)分解
涂布機(jī)結(jié)構(gòu)模塊示意(雙層結(jié)構(gòu)類似)
鋰電池涂布工藝及關(guān)鍵控制點(diǎn)
1、 放卷機(jī)構(gòu)(含放卷糾偏)
2、 操作平臺(tái)
3、 模頭（轉(zhuǎn)移式、擠壓式）
4、 過程糾偏（視覺檢測+糾偏本體）
5、 烘箱
6、 收卷預(yù)糾偏
7、 面密度測試儀
8、 收卷機(jī)構(gòu)
放卷機(jī)構(gòu)
放卷機(jī)構(gòu)由放卷軸、過輥、接帶平臺(tái)、張力控制系統(tǒng)、放卷糾偏系統(tǒng)等組成?；淖苑啪磔S開卷后，經(jīng)由過輥、接待平臺(tái)以及張力檢測輥后進(jìn)入涂布頭機(jī)構(gòu)前這一段區(qū)域、基本參數(shù)如下。
鋰電池涂布工藝及關(guān)鍵控制點(diǎn)
操作平臺(tái)
設(shè)備人員全面操作涂布機(jī)、監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、調(diào)節(jié)機(jī)臺(tái)參數(shù)、控制過程穩(wěn)定性、中控指導(dǎo)等等一系列生產(chǎn)活動(dòng)的區(qū)域，起到對應(yīng)于汽車的駕駛室、火車的操控室、輪船的調(diào)度室、電腦的CPU等功能。
模頭
（結(jié)構(gòu)上有轉(zhuǎn)移式模頭與擠壓式模頭之分、控制上分區(qū)線性馬達(dá)控制有待深入）
1）轉(zhuǎn)移式模頭
作為應(yīng)用較早較廣泛的涂布技術(shù)，其由料槽、涂布輥、刮刀輥、背輥、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速機(jī)、精密軸承及高性能的氣動(dòng)元件等組成；工作時(shí)涂輥轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)漿料，通過調(diào)節(jié)對應(yīng)刮刀間隙來調(diào)節(jié)漿料轉(zhuǎn)移量，并利用背輥和涂輥的配合轉(zhuǎn)動(dòng)將漿料轉(zhuǎn)移到基材上，通過調(diào)節(jié)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)連續(xù)涂布、間隙涂布等工藝。大致過程如下所示。
鋰電池涂布工藝及關(guān)鍵控制點(diǎn)
a) 涂布輥轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)漿料通過計(jì)量輥間隙、形成一定厚度的漿料層、同時(shí)控制削薄
b) 一定厚度的漿料層通過方向相對的涂輥與背輥轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)移漿料到箔材上形成涂層
2）擠壓式模頭
擠壓式涂布作為一種精密的濕式涂布技術(shù)，工作時(shí)漿料在一定壓力、一定流量下經(jīng)過過濾裝置、傳送裝置后沿著涂布模具的縫隙擠壓噴出而轉(zhuǎn)移到基材上。相比其它涂布方式具有很多優(yōu)點(diǎn)，如涂布速度快、精度高、濕厚均勻、涂布系統(tǒng)封閉，在涂布過程中能防止污染物進(jìn)入，漿料利用率高、能夠保持漿料性質(zhì)穩(wěn)定，可同時(shí)進(jìn)行多層涂布等等優(yōu)點(diǎn)。并能適應(yīng)不同漿料粘度和固含量范圍，與轉(zhuǎn)移式涂布工藝相比具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。
鋰電池涂布工藝及關(guān)鍵控制點(diǎn)
區(qū)別于轉(zhuǎn)移式涂布機(jī)要形成穩(wěn)定均勻的涂層需具備以下幾點(diǎn)：
(1)漿料性質(zhì)穩(wěn)定(勻漿性能良好)，不發(fā)生沉降，粘度、固含量等變化可控。
(2)漿料上料穩(wěn)定能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的流體控制狀態(tài)。
(3)涂布工藝在單卷涂布期間，在模頭與背輥之間形成穩(wěn)定的流場。
(4)走箔穩(wěn)定，不發(fā)生走帶滑動(dòng)、嚴(yán)重抖動(dòng)和褶皺
(5)優(yōu)良的低速、中速、高速控制區(qū)間
過程糾偏(國內(nèi)新升起應(yīng)用產(chǎn)業(yè))
對應(yīng)當(dāng)下涂布機(jī)速度越來越高、從最初15m/min、25m/min到50m/min、80m/min等，從最初的單層涂布模式到越來越多的雙層涂布模式,變化帶來的是過程控制的難度增加、正反面對齊控制難度的增加，目前檢測模式一般有線掃與面陣相機(jī)之分
鋰電池涂布工藝及關(guān)鍵控制點(diǎn)

圖片來源于網(wǎng)絡(luò)
測量原理
鋰電池涂布工藝及關(guān)鍵控制點(diǎn)
對應(yīng)在高速連續(xù)運(yùn)作場合下，面陣相機(jī)已不適合來連續(xù)取圖測試，而此時(shí)通過連續(xù)的一行行動(dòng)態(tài)取圖再拼接成一幅幅圖片正適合此類應(yīng)用場合來使用：
鋰電池涂布工藝及關(guān)鍵控制點(diǎn)
特別的現(xiàn)今追求高效率的背景下涂布機(jī)一出多情況下模頭越做越寬，從750->950->1200->1600......（汽車廠商車型尺寸為需求根源——>pack尺寸——>模組尺寸——>電芯尺寸——>極片尺寸——>涂布尺寸——>涂布機(jī)尺寸），此時(shí)靠人工檢測已經(jīng)不具備現(xiàn)實(shí)意義，且在節(jié)能生產(chǎn)上也離不開視覺檢測，對應(yīng)線掃相機(jī)的檢測優(yōu)勢脫穎而出：
鋰電池涂布工藝及關(guān)鍵控制點(diǎn)
過程烘烤
涂布工序是鋰電池成型生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵工序、而烘烤成型為涂布工序上關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)；涂布極片的掉粉、烤焦、烤不干、壓實(shí)密度不達(dá)標(biāo)、溶劑揮發(fā)不一致、漿料與箔材粘結(jié)力不夠等異常的出現(xiàn)都與烘烤的好壞有直接關(guān)聯(lián)；
從原理上來講，烘烤是將外部的熱量傳導(dǎo)到鋰電池極片的過程、是一個(gè)能量輸入輸出的過程、是完成熱交換的過程；對應(yīng)的加熱介質(zhì)有熱風(fēng)(電加熱、蒸汽加熱、導(dǎo)熱油加熱)、紅外、微波(嚴(yán)格意義屬于波傳導(dǎo)熱)，對應(yīng)市面上常用涂布機(jī)類型也有以上幾種；鋰電生產(chǎn)廠家在時(shí)間購買時(shí)綜合評(píng)估產(chǎn)品類型、產(chǎn)品數(shù)量、停機(jī)時(shí)間、維護(hù)成本、更新?lián)Q代等因素后選出最適合自身實(shí)際的設(shè)備；
鋰電池涂布工藝及關(guān)鍵控制點(diǎn)
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鋰電池涂布工藝及關(guān)鍵控制點(diǎn)
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鋰電池涂布工藝及關(guān)鍵控制點(diǎn)
風(fēng)嘴流體
技術(shù)發(fā)展至今、涂布機(jī)熱源載體從電加熱、蒸汽加熱、微波加熱、到導(dǎo)熱油加熱，經(jīng)歷數(shù)次規(guī)模變更，對應(yīng)的是控制技術(shù)切換、烘箱、風(fēng)嘴流體更改；涂布速度從最初15m/min、30m/min、50m/min、70m/min…….有突破至100m/min趨勢，涂布寬度從最初的550mm、750m、1200mm…...到1600mm的試水；以某公司雙層高速涂布機(jī)為例、其風(fēng)嘴流體特性為由內(nèi)至外(烘箱橫截面)；風(fēng)嘴流體是烘烤作用終端、是直接影響涂布效果，對應(yīng)市面上涂布機(jī)廠家修改的最多也是在此處；對應(yīng)的烘箱本體、熱交換室、風(fēng)道則雷打不動(dòng)不改，不出事故不改、不退貨投訴不改。
大家可以思維發(fā)散想一想出現(xiàn)這種現(xiàn)象原因在哪里呢？
鋰電池涂布工藝及關(guān)鍵控制點(diǎn)
而特定產(chǎn)品高溫狀態(tài)其風(fēng)嘴流體特性為由外至內(nèi)(烘箱橫截面)；
鋰電池涂布工藝及關(guān)鍵控制點(diǎn)
對應(yīng)風(fēng)嘴模型示意
鋰電池涂布工藝及關(guān)鍵控制點(diǎn)
來源：鋰電派

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作者 li, meiyong

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