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導讀：漿料塗覆是繼制備漿料完成後的下一道工序，此工序主要目的是将穩定性好、粘度好、流動性好的漿料均勻地塗覆在正負極集流體上。極片塗布對锂電池電池的容量、一緻性、安全性等的具有重要的意義。據不完全統計：因極片塗布工藝引起的電池失效占全部原因引起的锂電池失效的比例超過10%，也是材料匠群裡的熱門話題之一。是以總結了一下塗布工藝，講述不對的地方，請大牛多多指教。
塗布工藝對锂電池性能的影響
極片塗布一般是指将攪拌均勻的漿料均勻地塗覆在集流體上，并将漿料中的有機溶劑進行烘幹的一種工藝。塗布的效果對電池容量、内阻、循環壽命以及安全性有重要影響，保證極片均勻塗布。塗布方式的選擇和控制參數對锂離子電池性能的有重要影響，主要表現在：
1）塗布幹燥溫度控制：若塗布時幹燥溫度過低，則不能保證極片完全幹燥，若溫度過高，則可能因為極片内部的有機溶劑蒸發太快，極片表面塗層出現龜裂、脫落等現象；
2）塗布面密度：若塗布面密度太小，則電池容量可能達不到标稱容量，若塗布面密度太大，則容易造成配料浪費，嚴重時如果出現正極容量過量，由于锂的析出形成锂枝晶刺穿電池隔膜發生短路，引發安全隐患；
3）塗布尺寸大小：塗布尺寸過小或者過大可能導緻電池内部正極不能完全被負極包住，在充電過程中，锂離子從正極嵌出來，移動到沒有被負極完全包住的電解液中，正極實際容量不能高效發揮，嚴重的時候，在電池内部會形成锂枝晶，容易刺穿隔膜導緻電池内部電路；
4）塗布厚度：塗布厚度太薄或者太厚會對後續的極片軋制工藝産生影響，不能保證電池極片的性能一緻性。
另外極片塗布對電池的安全性有重要意義。塗布之前要做好5S工作，確定塗布過程中沒有顆粒、雜物、粉塵等混入極片中，如果混入雜物會引起電池内部微短路，嚴重時導緻電池起火爆炸。
塗布裝置及塗布工藝選擇
廣義的塗布過程包括：開卷→接片→拉片→張力控制→塗布→幹燥→糾偏→張力控制→糾偏→收卷等過程。塗布工藝複雜，同時影響塗布效果的因素也較多，比如：塗布裝置的制造精度、裝置運作的平穩程度以及塗布過程中動态張力的控制、烘幹過程中風量的大小以及溫度控制曲線都會影響塗布的效果，是以選擇合适的塗布工藝極為重要。
一般選擇塗布方法需要從下面幾個方面考慮，包括：塗布的層數，濕塗層的厚度，塗布液的流變特性，要求的塗布精度，塗布支援體或基材，塗布的速度等。
除上述因素外，還必須結合極片塗布的具體情況和特點。锂離子電池極片塗布特點是：①雙面單層塗布；②漿料濕塗層較厚(100～300μm)；③漿料為非牛頓型高粘度流體；④極片塗布精度要求高，和膠片塗布精度相近；⑤塗布支援體為厚度10～20μm的鋁箔和銅箔；⑥和膠片塗布速度相比，極片塗布速度不高。綜上因素考慮，一般實驗室裝置往往采用刮刀式，消費類锂離子電池多采用輥塗轉移式，而動力電池多采用狹縫擠壓式方法。
圖1 塗布機裝置主要構件
刮刀塗布：工作原理如圖1所示，箔基材經過塗布輥并直接與漿料料槽接觸，過量的漿料塗在箔基材上，在基材通過塗輥與刮刀之間時，刮刀與基材之間的間隙決定了塗層厚度，同時将多餘的漿料刮掉回流，并由此在基材表面形成一層均勻的塗層。刮刀類型主要逗号刮刀。逗号刮刀是塗布頭中的關鍵部件之一，一般在圓輥表面沿母線加工成形似逗号的刃口，這種刮刀具有高的強度和硬度，易于控制塗布量和塗布精度，适用于高固含量和高黏度的漿料。
圖2 逗号刮刀塗布機
輥塗轉移式：塗輥轉動帶動漿料，通過逗号刮刀間隙來調節漿料轉移量，并利用背輥和塗輥的轉動将漿料轉移到基材上，工藝過程如圖2所示。輥塗轉移塗布包含兩個基本過程：（1）塗布輥轉動帶動漿料通過計量輥間隙，形成一定厚度的漿料層；（2）一定厚度的漿料層通過方向相對的塗輥與背輥轉動轉移漿料到箔材上形成塗層。
圖3 輥塗刮刀轉移塗布工藝示意圖
狹縫擠壓塗布：作為一種精密的濕式塗布技術，如圖3所示，工作原理為塗布液在一定壓力一定流量下沿着塗布模具的縫隙擠壓噴出而轉移到基材上。相比其它塗布方式，具有很多優點，如塗布速度快、精度高、濕厚均勻；塗布系統封閉，在塗布過程中能防止污染物進入，漿料使用率高、能夠保持漿料性質穩定，可同時進行多層塗布。并能适應不同漿料粘度和固含量範圍，與轉移式塗布工藝相比具有更強的适應性。
圖4 狹縫擠出式塗布機
塗布缺陷及影響因素
塗布過程中減少塗布缺陷，提高塗布品質和良品率，降低成本是塗布工藝需要研究的重要内容。在塗布工序經常出現的問題是頭厚尾薄、雙側厚邊、點狀暗斑、表面粗糙、露箔等缺陷。頭尾厚度可以通過塗布閥或間歇閥的開關時間來調整，厚邊問題可以從漿料性質、塗布間隙調整、漿料流速等方面改善，表面粗糙不平整有條紋等可以通過穩定箔材、降低速度、調整風刀角度等改善。
基材-漿料
漿料基本物性與塗布之關系:實際工藝過程中，漿料的粘度對塗布效果有一定影響，電極原材料，漿料配比比例，選取粘結劑種類不同時所制備的漿料粘度也不同。漿料粘度太高時，塗布往往無法連續穩定的進行，塗布效果也受到影響
塗布液的均勻性、穩定性、邊緣和表面效應受到塗布液的流變特性影響，進而直接決定塗層的品質。采用理論分析、塗布實驗技術、流體力學有限元技術等研究手段可以進行塗布視窗的研究，塗布視窗就是可以進行穩定塗布，得到均勻塗層的工藝操作範圍。
基材-銅箔和鋁箔
表面張力：銅鋁箔的表面張力必須高于所塗覆的溶液的表面張力，否則溶液在基材上将很難平整地鋪展開而導緻比較差的塗布品質。一個需要遵守的原則是：所要塗覆的溶液的表面張力應該比基材的低5dynes/cm，當然這隻是粗略的。溶液和基材的表面張力可以通過配方的調整或者基材的表面處理來調整。對兩者的表面張力測量也應當作為一個品質控制的測試項目。
厚度均勻：在類似于刮刀式塗布的工藝中，基材橫幅面厚度不均勻，會導緻塗布厚度的不均勻。因為在塗布工藝中，塗布厚度通過刮刀和基材的之間的間隙控制。如果在基材橫向上，有一處的基材厚度比較低，那麼通過該處的溶液就會更多，塗布厚度也會更厚，反之亦然。如果從測厚儀中看到如下基材的厚度波動，那最終塗出來的膜厚波動也會呈現同樣的偏差。另外橫向厚度偏差還會導緻收卷的缺陷。是以為了避免這種缺陷，原材料的厚度控制很重要
靜電：在塗布線上，塗在放卷及經過輥筒時會在基材表面産生很多的靜電。産生的靜電有很容易吸附空氣及輥筒上的灰層，進而造成塗布缺陷。靜電在放電的過程中，同樣在塗布表面上會造成靜電狀的外觀缺陷，更嚴重的甚至會引起火災。如果在濕度較低的冬天，塗布線上的靜電問題會更凸顯嚴重。減少此類缺陷的最有效辦法就是盡量保持環境濕度在一個比較高的狀态，對塗布線接地，并且裝一些抗靜電的裝置。
清潔度：基材表面上的雜質會導緻一些實體性的缺陷，如突點，污質等。是以在基材的生産工藝中需要比較好的控制原材料的清潔度。線上的膜清潔輥是一個比較有效的去除基材雜質的方法。雖然并不能去除所有的膜上的雜質，但是可以有效的提高原材料的品質，降低損失。
锂電池極片缺陷圖譜
【1】锂離子電池負極塗層氣泡缺陷
左圖帶有氣泡的負極片、右圖掃描電鏡200倍放大圖。在合漿、轉運和塗布過程中，粉塵或長度較大的毛絮物等異物混入塗布液中或落到濕塗層表面，該處塗層表面張力因受外力影響導緻分子間作用力發生改變，漿料發生輕度轉移，經烘幹後形成圓形痕迹，中間偏薄。
【2】針孔
一是氣泡産生(攪拌過程、輸運過程、塗布過程); 氣泡産生的針孔缺陷比較容易了解，濕膜中的氣泡從内層向膜表面遷移，在膜表面破裂形成針孔缺陷。氣泡主要來自攪拌、塗液輸運以及塗布過程塗料的流動性不良，流平性差，塗料釋放氣泡性差
【3】劃痕：
可能原因：異物或大顆粒卡在狹縫間隙内或塗布間隙上、基材質量不佳，造成有異物擋在塗輥與背輥的塗布間隙上、模具模唇損傷
【4】厚邊：
産生厚邊的原因是漿料表面張力的驅使，使漿料向極片邊緣無塗覆處遷移，烘幹後形成厚邊
【5】負極表面團聚體顆粒
配方：球形石墨+SUPER C65+CMC+蒸餾水
兩種不同攪拌工藝的極片宏觀形貌：表面光滑（左）和表面存在大量小顆粒（右）
配方：球形石墨+SUPER C65+CMC/SBR+蒸餾水
極片表面小顆粒放大形貌（a和b）：導電劑的團聚體，沒有完全分散
表面光滑極片的放大形貌：導電劑充分分散，均勻分布
【6】正極表面團聚體顆粒
配方：NCA+乙炔黑+PVDF+NMP
攪拌過程中，環境濕度太高，導緻漿料成果凍狀态，導電劑沒有完全分散好，極片輥壓後表面存在大量的顆粒。
【7】水系極片裂紋
配方：NMC532/carbon black/binder= 90/5/5 wt%， 水/異丙醇（IPA）溶劑
極片表面裂紋光學照片，塗布面密度分别為 (a) 15 mg/cm2，(b)17.5 mg/cm2， (c) 20 mg/cm2和(d) 25 mg/cm2，厚極片更容易出現裂紋。
【8】極片表面縮孔
配方：片狀石墨+SP+CMC/SBR+蒸餾水
箔材表面存在導緻污染物顆粒，顆粒表面處的濕膜存在低表面張力區域，液膜向顆粒周圍發射狀遷移，形成縮孔點狀缺陷。
【9】極片表面劃痕
配方：NMC532+SP+PVdF+NMP
狹縫擠壓塗布，刃口存在大顆粒導緻極片表面漏箔劃痕
【10】塗布豎條道
配方：NCA+SP+PVdF+NMP
轉移塗布後期，漿料吸水粘度升高，塗布時接近塗布視窗上限，漿料流平性差，形成豎條道。
【11】極片未幹透區域輥壓裂紋
配方：片狀石墨+SP+CMC/SBR+蒸餾水
塗布時，極片中間區域沒有完全幹透，輥壓時塗層發生遷移，形成條狀裂紋。
【12】極片輥壓邊緣褶皺
塗布形成厚邊現象，輥壓式，塗層邊緣産生褶皺
【13】負極分切塗層與箔材脫離
配方：天然石墨+乙炔黑+CMC/SBR+蒸餾水，活性物質比例96%，
極片圓盤分切時，塗層與箔材脫離。
【14】極片分切毛刺
正極極片圓盤分切時，由于張力控制不穩定導緻二次切削形成箔材毛刺
【15】極片分切波浪邊
負極極片圓盤分切時，由于切刀重疊量和壓力不合适，形成波浪邊和切口塗層脫落
【16】其它常見塗布缺陷有：空氣滲入、橫向波、垂流、Rivulet、擴張、水漥等
缺陷可能發生在任何加工段：塗料的配制 基材的制作、基材操作塗布區域、幹燥區域、裁切、分條、碾壓過程等等。那一般解決缺陷的邏輯方法是怎麼樣的呢？
1. 在從中試到生産的過程中就要優化産品的配方，塗布和幹燥的工藝，找到比較好的或者說寬的工藝視窗。
2. 通過一些品質控制手段，統計工具(SPC) 來控制産品的品質。通過線上的監測控制穩定的塗布厚度,或者視覺外觀檢測系統（Visual System）來檢查塗布表面是否有缺陷。
3. 出現産品缺陷時及時調整工藝，避免缺陷重複産生。
塗布的均勻性
所謂塗布均勻性是指在塗布區域内塗層厚度或塗膠量分布的一緻性。塗層厚度或塗膠量的一緻性越好，塗布均勻性越好，反之越差。塗布均勻性并沒有統一的度量名額，可以用一定區域内各點的塗層厚度或塗膠量相對于該區域的平均塗層厚度或塗膠量之偏差或偏差百分比來衡量，也可以用一定區域内最大和最小塗層厚度或塗膠量之差來衡量。塗層厚度通常用µm表示。
塗布均勻性都是用來評價一個區域的整體塗膠狀況的。但在實際生産中，我們通常更關心在基材橫向和縱向兩個方向上的均勻性。所謂橫向均勻性在塗布寬度方向（或機器橫向）上的均勻性。所謂縱向均勻性是在塗布長度方向（或基材行進方向）上的均勻性。橫向和縱向塗膠誤差的大小、影響因素及控制方式都有很大的不同。一般情況下，基材（或塗膠）寬度越大，橫向均勻性就越難控制。根據塗布線上多年的實際經驗，當基材寬度在800mm以下時，橫向均勻性通常都很容易保障；當基材寬度在1300～1800mm時，橫向均勻性常常能控制好但有一定的難度，需要相當專業的水準；而當基材寬度在2000mm以上時，橫向均勻性的控制在有非常大的難度，隻有極少廠家能處理好。而當生産批量（即塗布長度）增加時，縱向均勻性就可能成為比橫向均勻性更大的難點或挑戰。
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文章來源：沐風機械
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