锂电池极片涂布搞懂不容易
导读：浆料涂覆是继制备浆料完成后的下一道工序，此工序主要目的是将稳定性好、粘度好、流动性好的浆料均匀地涂覆在正负极集流体上。极片涂布对锂电池电池的容量、一致性、安全性等的具有重要的意义。据不完全统计：因极片涂布工艺引起的电池失效占全部原因引起的锂电池失效的比例超过10%，也是材料匠群里的热门话题之一。因此总结了一下涂布工艺，讲述不对的地方，请大牛多多指教。
镀膜工艺对锂电池性能的影响极片涂覆一般是指将搅拌均匀的浆液均匀地涂覆在集电器上，并将浆液中的有机溶剂干燥的过程。涂层效果对电池容量、内阻、循环寿命和安全性有重要影响，保证极片涂层均匀。镀膜方法和控制参数的选择对锂离子电池的性能有重要影响，主要表现在：1）涂布干燥温度控制：涂布时干燥温度过低，极片不能完全干燥。如果过高，可能是因为极片内部的有机溶剂蒸发太快，极片表面涂层出现开裂脱落；2）涂层面密度：涂层面密度太小，电池容量可能达到小于标称容量，涂层面密度太大，容易造成成分浪费。严重时，如果正极容量过大，锂析出形成的锂枝晶会刺破电池隔膜，造成短路，造成安全隐患；3）涂层尺寸：涂层尺寸过小或过大，电池内部的正极可能没有完全被负极覆盖。在充电过程中，锂离子从正极插入并移动到未被负极完全覆盖的电解液中。无法有效利用正极的实际容量。严重时，电池内部会形成锂枝晶，容易刺破隔膜，造成电池内部断路；延伸阅读：悬垂设计对锂电池性能的影响4）涂层厚度：布的厚度太薄或太厚都会影响后续的极片滚压工艺，不能保证电池极片的性能一致性。此外，极片涂层对电池的安全性具有重要意义。镀膜前做好5S工作，确保镀膜过程中没有颗粒、碎屑、灰尘等混入极片。如果混入异物，会造成电池内部短路，严重时可能导致电池着火爆炸。涂装设备及涂装工艺选择广义的涂布工艺包括：放卷→拼接→牵引→张力控制→涂布→干燥→纠偏→张力控制→纠偏→收卷等工序。包衣过程复杂，影响包衣效果的因素很多，如：包衣设备的制造精度、设备运行的平稳性、包衣过程中的动态张力控制、干燥过程中的风量工艺，而温度控制曲线会影响镀膜的效果，因此选择合适的镀膜工艺极为重要。一般选择涂布方法需要考虑以下几个方面，包括：涂布层数、湿涂厚度、涂布液的流变性能、以及所需的涂布精度,涂布支撑物或基材、涂布速度等。除上述因素外，还必须结合极片涂层的具体条件和特点。锂离子电池极片涂层的特点是：①双面单层涂层；②浆料湿涂层较厚（～μm）；③浆体为非牛顿高粘度流体；④极片镀膜精度要求高，类似薄膜镀膜精度；⑤涂层支撑体为厚度10-20μm的铝箔和铜箔；⑥与薄膜包衣速度相比，极片包衣速度不高。综合以上因素，一般实验室设备多采用刮刀式，消费类锂离子电池多采用辊涂转移式，动力电池多采用狭缝挤压方式。
图1涂布机设备主要部件刮刀涂布：工作原理如图1所示，箔基材通过涂布辊与浆料槽直接接触，多余的浆料涂布在箔基材上，当基材通过涂布辊与涂布辊之间时刮刀，刮刀与基材之间的间隙决定了涂层的厚度，同时多余的浆料被刮掉并回流，从而在基材表面形成一层均匀的涂层。刮板的类型主要是逗号刮板。逗号刮刀是涂布头中的关键部件之一。一般在圆辊表面沿母线形成逗号状刀片。这种刮刀具有高强度和硬度，易于控制涂布量和涂布精度，适用于高固含量和高粘度的浆料。
图2逗号刮刀涂布机辊涂转移式：涂布辊旋转带动浆料，通过逗号刮刀间隙调节浆料转移量，通过背辊和涂布辊的旋转将浆料转移到基材上，过程如图在图2中，辊涂转移涂层由两个基本过程组成：（1）涂布辊的旋转带动浆料通过计量辊间隙，形成一定厚度的浆料层；(2)一定厚度的浆料层通过涂布辊和相反方向。背辊旋转以将浆料转移到箔上以形成涂层。
图3辊涂刮刀转移涂布工艺示意图狭缝挤出涂布：作为一种精密的湿式涂布技术，如图3所示，其工作原理是涂布液在一定压力的流速下，沿涂布模的缝隙被挤压喷出并转移到基材。与其他涂布方式相比，具有涂布速度快、精度高、湿厚均匀等优点；涂装系统密闭，可防止涂装过程中污染物进入，浆料利用率高，可保持浆料性能稳定，可同时多层施工。并能适应不同的浆料粘度和固含量范围，与转移涂布工艺相比具有更强的适应性反应灵敏。
图4槽式挤出涂布机镀层缺陷及影响因素在镀膜过程中，需要对镀膜工艺进行研究，以减少镀膜缺陷，提高镀膜质量和成品率，降低成本。重要内容。涂装过程中经常出现的问题是头厚尾薄、两面厚边、点状黑点、表面粗糙、箔外露等缺陷。头尾粗细可通过涂布阀或间歇阀的启闭时间进行调节。厚边问题可在浆料特性、涂层间隙调整、浆料流量等方面得到改善，表面粗糙度和条纹可通过箔片稳定、降低速度、调整风刀角度等改进。基材-浆料浆料的基本物理性能与涂层的关系：在实际工艺中，浆料的粘度对涂层效果有一定的影响。电极材料、浆料配比、粘合剂类型的选择不同时间制备的浆料粘度也不同。当浆料粘度过高时，涂层往往无法连续稳定进行，也影响涂层效果。涂布液的均匀性、稳定性、边缘和表面效果受涂布液流变性能的影响，直接决定涂层的质量。可以采用理论分析、涂层实验技术、流体动力学有限元技术等研究方法对涂层窗口进行研究。镀膜窗口是能进行稳定镀膜并获得均匀镀膜的工艺操作范围。延伸阅读：干货
锂电池浆料生产工艺及基本原理最新总结：浆料的粒径和流变特性对极片性能的影响基材-铜箔和铝箔表面张力：铜箔和铝箔的表面张力必须高于涂布液的表面张力，否则溶液难以在基材上均匀铺展，导致涂布质量不佳。需要遵循的一个原则是：被涂溶液的表面张力应比基材的表面张力低5达因/厘米。当然，这只是一个粗略的想法。溶液和基材的表面张力可以通过调整配方或基材的表面处理来调节。两者的表面张力测量也应作为质量控制测试项目。
厚度均匀：在类似刮刀涂层的工艺中，基材横幅表面的厚度不均匀，会导致涂层厚度不均匀。因为在涂布过程中，涂层厚度是由刮刀与基材之间的间隙控制的。如果在基材的横向上有基材厚度相对较低的地方，则更多的溶液会通过该地方，涂层厚度会更厚，反之亦然。如果从测厚仪看到以下基材的厚度波动，则最终涂层为膜厚波动也会表现出同样的偏差。此外，横向厚度偏差也会导致绕线缺陷。因此，为了避免这种缺陷，原材料的厚度控制非常重要。静电：在涂装线上、在放卷、通过滚筒时，基材表面会产生大量静电。产生的静电很容易吸附辊上的空气和灰尘层，从而造成涂层缺陷。在放电过程中，静电还会造成涂层表面出现静电外观缺陷，更严重的，甚至会引起火灾。如果冬天湿度低，涂装线上的静电问题会更加严重。减少此类缺陷最有效的方法是保持环境湿度尽可能高，涂装线接地，并安装一些抗静电装置。清洁度：基板表面的杂质会造成一些物理缺陷，如凹凸、污渍等，因此在基板的生产过程中需要更好地控制原材料的清洁度。在线薄膜清洁辊是一种更有效的去除基材杂质的方法。虽然不能将膜上的杂质全部去除，但可以有效提高原料质量，减少损失。延伸阅读：为什么锂电池负极用铜箔，正极用铝箔PPT
铜铝箔检测方法锂电池极片缺陷图锂离子电池负极涂层气泡缺陷
左图为带气泡的负极，右图为扫描电镜放大倍。在混合、输送和涂布过程中，粉尘或长絮状物等异物混入涂布液中或落在湿涂层表面，使涂层表面张力受外力影响而产生分子间力发生变化后，浆液略有转移，干燥后形成圆形痕迹，中间变细。针孔
一是气泡产生（搅拌过程、输送过程、涂层过程）；气泡引起的针孔缺陷比较容易理解，湿膜中的气泡是从内部层迁移到薄膜表面并在薄膜表面破裂形成针孔缺陷的。气泡主要来自混合、涂液输送和涂装过程。涂层流动性差，流平性差，涂层释放气泡。划痕：
可能原因：异物或大颗粒卡在狭窄的间隙或涂布间隙中，基材质量不好，导致异物堵塞涂布辊和背辊之间的涂布间隙，造成模唇损坏。厚边：
厚度产生棱边的原因是浆料表面张力的驱动，使浆料在没有涂层的情况下迁移到极片边缘，干燥后形成厚边。负极表面的聚集体粒子
配方：球形石墨+SUPERC65+CMC+蒸馏水两种不同混合过程的极片宏观形貌：光滑表面（左）和表面有大量小颗粒（右）
配方：球形石墨+SUPERC65+CMC/SBR+蒸馏水极片表面小颗粒的放大形态（a和b）：导电剂团块，未完全分散表面光滑的极片放大形态：充足的导电剂分散均匀聚合物表面骨料颗粒
配方：NCA+乙炔黑+PVDF+NMP搅拌过程中，环境湿度过高，导致浆料呈胶状，导电剂不完全分散性好，搅拌后极片表面有大量颗粒滚动。水系统极片裂纹
分子式：NMC/炭黑/粘合剂=90/5/5wt%，水/异丙醇（IPA）溶剂极片表面裂纹的光学照片，涂层布密度为(a)15mg/cm2，(b)17.5mg/cm2，(c)20mg/cm2和(d)25mg/cm2。厚极片更容易出现裂纹。[8]极片表面收缩
配方：片状石墨+SP+CMC/SBR+蒸馏水箔片表面存在污染物颗粒，颗粒表面的湿膜具有低表面张力区。液膜以辐射的方式迁移到颗粒的外围，形成收缩点缺陷。极片表面划伤
公式：NMC+SP+PVdF+NMP狭缝挤压涂层，叶片边缘的大颗粒导致极片表面划伤涂层垂直线
公式：NCA+SP+PVdF+NMP转移涂布后期，浆料吸水粘度增大，涂层接近涂布窗口上限，浆料流平性差，形成垂直路。[11]极片未完全干燥区域的轧制裂纹
配方：鳞片石墨+SP+CMC/SBR+蒸馏水涂覆时，极片中间区域未完全干燥，在轧制过程中被涂覆层迁移，形成条状裂纹。极片辊压边皱褶
涂层形成厚边现象，滚压式，涂层边缘产生皱纹负极分切涂层与箔分离
\n配方：天然石墨+乙炔黑+CMC/SBR+蒸馏水，活性物质比例96%，极片当圆盘被切开时，涂层与箔分离。极片分切毛刺
正极片盘分切过程中，由于张力控制不稳定，二次切割形成箔毛刺极片分切波浪边
切割负极片圆盘时，由于刀具重叠和压力不当，形成波浪形边缘和切口，涂层脱落其他常见的涂层缺陷包括：空气渗透、横波、垂直流、溪流、膨胀、水等。
缺陷可能出现在任何加工环节：涂装准备基材的准备、基材操作涂装区、干燥区、切割、分切、滚压工序等。解决缺陷的一般逻辑方法是什么？1、从中试到生产的过程中，要优化产品配方、包衣和干燥工艺，寻找更好或更宽的工艺窗口。2.通过一些质量控制方法，统计工具（SPC）来控制产品的质量。通过在线监测控制稳定的涂层厚度，或通过视觉外观检测系统（VisualSystem）检查涂层表面是否有缺陷。3、当产品出现缺陷时，及时调整工艺，避免重复缺陷。涂层均匀度所谓涂层均匀性是指涂层厚度或涂胶量分布在涂层区域的均匀性。涂层厚度或胶量的一致性越好，涂层均匀性越好，反之亦然。涂层均匀性没有统一的测量指标。可以用涂层厚度或某一区域内各点的涂胶量相对于平均涂装厚度或该区域涂胶量的偏差或偏差百分比来衡量，也可以用它来衡量是通过最大与最小涂层厚度的差值或某一区域的涂胶量来衡量的。涂层的厚度通常以微米表示。涂层的均匀性用于评价一个区域的整体涂层状况。但在实际生产中，我们通常更
