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2020-06-08

锂电池极片挤压涂布厚边景象及处理办法

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锂电池极片挤压涂布厚边景象及处理办法

在锂电池产业出产上,模头挤压涂布因为高精度、宽涂布窗口、高靠得住性等长处成为利用最普遍的涂布体例。如图1所示,浆料由切确的进料系统(如螺杆泵)供给,进入模头外部型腔,在涂层宽度标的目的平均散布,最初浆料受挤压经由进程模头狭缝,在挪动的基材上构成涂层。因为浆料流体特点,在涂层肇端点、停止点和两侧边缘轻易构成如图1中所示半月形特点。涂布工艺中,极片边缘呈现的这类厚度突增的描摹被称为厚边景象。

锂电池极片挤压涂布厚边景象及处理办法(图1)

挤压涂布表示图

 

按照电池的布局设想和对应的工艺设想,锂电池极片涂布工艺可分为持续涂布和间歇涂布,如图2所示,持续涂布中,对电池机能和工艺有影响的厚边题目首要在涂层两侧边缘,而对空隙涂布,除两侧边缘,涂层的肇端和竣事边缘(头尾)一样可以或许存在这类厚边环境。这类厚边景象是不希冀呈现的,并会对电池的工艺进程和电池机能和分歧性发生题目。

锂电池极片挤压涂布厚边景象及处理办法(图2)

持续涂布和间歇涂布体例布局表示图

 

厚边景象的风险

 

不论是持续涂布仍是间歇涂布(如图2所示),这类半月形描摹特点城市严峻影响涂层的平均性。普通地,涂层边缘厚度比普通地区厚几微米至十几微米,在涂布枯燥后收卷时,成千盈百层极片收获一卷,涂层正面边缘厚度突出线积累成几毫米,致使极卷发生鼓边景象,严峻时会构成极片断裂,这严峻影响涂布收卷整洁度及其后续工序。

 

这类厚边环境也会影响极片的辊压工艺,因为边缘厚度较中间部位大几微米或十几微米,辊压轧辊压力感化在极片上时,边缘厚度大的地区蒙受更大的轧制力,从而致使极片辊压压实横向密度不分歧,一方面这会构成辊压以后的极片翘曲度更大构成蛇形极片,在后续的分条或模切、卷绕等工艺进程中,极片张力散布不平衡,极片收放卷对齐度没法保障,这也会影响极片加工尺寸,轻易呈现不良品。

 

厚边景象构成的极片厚度、压实密度不平均一样对电池机能有影响,在充放电进程中,可以或许呈现电流散布不平均,更轻易构成极化。是以,电池极片在充放电缩短、缩短进程中受力也不分歧,厚边缘更轻易生效。

 

普通地,3C电池工艺设想时,切除极片边缘来消弭这类厚边的倒霉影响。而能源电池请求高功率和高能量,电池设想常常须要保留涂层边缘,是以,厚边景象更受存眷,Marcel Schmitt等人就研讨了涂布工艺参数对持续涂布两侧厚边的影响,希冀懂得和熟悉发生这类环境的缘由。

 

 

厚边景象的定量描写

 

锂电池极片挤压涂布厚边景象及处理办法(图3)

涂层边缘厚度突增典范描摹图

 

为了阐发涂层的边缘效应,作者引入一些特点参数来定量表征涂层的厚边景象。如图3所示,这是涂层边缘厚度突增典范描摹图,涂层中间厚度为H(图3H=100μm),而涂层突出点的厚度为HEdge,无穷纲厚度H*界说为式(1):

锂电池极片挤压涂布厚边景象及处理办法(图4)          (1)

抱负环境下,H*即是1,极片涂层边缘不厚边环境发生。

 

公式(2)界说涂层厚边缘的无穷纲宽度:

锂电池极片挤压涂布厚边景象及处理办法(图5)   (2)



此中,B*为厚边缘的无穷纲宽度,BEdge 为厚度突出的涂层宽度,丈量涂层的厚度,厚度值第一次检测到为H105%时的地位界说为BEdge 的出发点,持续横向丈量厚度再变为H时地位界说为BEdge的起点,如图3所示,普通锂电池涂布中H*乃至能到达10以上。而厚边涂层的梯度R*界说为式(3)::

锂电池极片挤压涂布厚边景象及处理办法(图6)    3


此中,BStep的起点地位为第一次检测极片厚度为集流体厚度的105%的地位。

 

以上三个无穷纲参数用来定量描写极片涂层厚边缘的厚度、宽度和梯度特点。

 

厚边景象的影响身分

 

影响极片涂层厚边景象发生的身分首要有几个方面:(1)涂布模头的多少特点及涂布工艺参数,模头挤压涂布流场表示图如图4所示,模头多少参数和涂布工艺参数包含狭缝尺寸S、模头出口浆料流量q、模头与涂辊空隙尺寸G、涂布速率U、涂层湿厚H等;(2)浆料的性子,出格是浆料外表张力。

锂电池极片挤压涂布厚边景象及处理办法(图7)

模头挤压涂布外流场二维截面表示图

 

1)涂布速率的影响

 

Marcel Schmitt等人锂离子电池负极浆料涂布工艺尝试研讨发明,涂布速率对厚边的无穷纲厚度和宽度几近不影响,而会影响厚边的梯度特点R*,当涂布速率增添时,R*响应增添,即厚边缘厚度变更更锋利,如图5所示。

锂电池极片挤压涂布厚边景象及处理办法(图8)

涂布速率与厚边梯度的干系

 

2)涂布空隙的影响

 

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

锂电池极片挤压涂布厚边景象及处理办法(图9)   4

此中,D为浆料拖曳力比值,界说为涂布速率U与浆料在出口的平均速率USlurry比值,详细可由式(5)计较:

锂电池极片挤压涂布厚边景象及处理办法(图10)  5 


式中,q为浆料体积流量,H为涂层湿厚,G为涂布空隙。是以,厚边涂层厚度与无穷纲涂布空隙G*相干。    

 

6为无穷纲涂布空隙G*与厚边无穷纲厚度H*的尝试数据图和公式展望干系,按照经历公式,涂布空隙增添时厚边厚度响应增添,可是从尝试数据来看相干性不是出格大。而跟着涂布空隙增添,厚边涂层的宽度增添,如图7所示。是以,减低涂布空隙是按捺厚边景象的一个有用办法。   

锂电池极片挤压涂布厚边景象及处理办法(图11)

涂布空隙与厚边厚度的干系

锂电池极片挤压涂布厚边景象及处理办法(图12)

涂布空隙与厚边宽度的干系


3)外表张力的影响

别的,浆料性子对厚边也具备庞大影响,一方面从模头挤压喷出时,粘弹性浆料流体会发生缩短,因为遭到模头边缘壁面的额定应力感化,边缘处浆料缩短效应更较着,从而致使厚边景象发生。别的,浆料的外表张力感化下,涂层在枯燥进程中发生流延也会构成厚边景象。如图8所示,涂层枯燥时,遍地枯燥速率不异,而边缘处溶剂蒸发更快些,是以边缘成份变更更快时,若是浆料外面不界面活性剂等增添剂,或分离的颗粒悬浮液外表张力大于溶剂的外表张力时,浆料向边缘活动,终究致使厚边景象。

锂电池极片挤压涂布厚边景象及处理办法(图13)

枯燥进程中厚边景象发生进程

 

厚边景象的处理办法

涂布厚边景象是一种倒霉的缺点,按照以上尝试成果和阐发,禁止和减缓厚边景象的办法有:

1)浆料流量必然时,减小狭缝尺寸可以或许增添浆料在模头的出口速率,从而下降浆料的拖曳力比值D,进而减小厚边涂层的无穷纲厚度H*,可是狭缝尺寸变小模头外部的压力更大,更轻易构成模头出口外形的缩短,从而呈现涂层横向厚度不平均性,这须要更高精度的涂布装备共同。

2)涂布空隙G减小可以或许无限减小厚边涂层的厚度和宽度。

3)下降浆料的外表张力,如增添界面活性剂、下降粘度等,按捺枯燥进程中浆料向边缘的流延。

4)优化狭缝垫片出口外形,转变浆料活动速率标的目的和巨细,下降边缘浆料的应力状况,削弱浆料边缘缩短效应。


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