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伴隨電動汽車在國內推陳出新、造車新勢力全球風起云涌過程中，其背后的產業鏈也逐步走向大眾視野；過去十年是新能源電動汽車的十年、是鋰電產業發展的十年、是國內工業升級縮影的十年、是中國又一全球第一產業橫空出現的十年。

縱觀鋰電產業的發展，整體布局可高度歸納為上游配件廠——鋰電生產廠——組裝pack廠——總成汽車廠四個環節；而在鋰電生產廠這一環節，核心瓶頸工序為鋰電池極片涂布工藝；綜合統計電池生產整個環節、涂布工序所造成的不良異常影響占整個電池工藝的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、專業術語、控制點分解、后續展望幾個環節來鋪開；

鋰電池涂布工藝及關鍵控制點

進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

其次我們通過涂布工藝在整段產線的價值占比來做簡單示意

原理闡述

涂布機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，并烘干后收卷的機械設備。如此次疫情期間口罩生產所需的噴絨布制作即可理解為通過涂布工藝來成型。其存在在國家工業制造方方面面，此處特指將動力鋰電池原料涂覆在電池導電基材上面的一種設備，通過此涂布方式來生產制造鋰電池正負極極片。

從工藝流程來講涂布是電芯制備過程中關鍵工序、從設備價值來講也是電芯制備過程中關鍵工序(高端系列售價過千萬)、從非線性控制角度來講更是電芯制備過程中關鍵工序；涂布的均勻性、一致性、對齊性、烘烤穩定、粘結劑擴散性、面密度穩定性等都于此息息相關；涂布質量的好壞直接關系到電池質量的優劣，同時鋰離子電池由于體系的特點使得其對水分十分敏感，微量的水分就有可能會對電池的電性能產生嚴重的影響(811系列更明顯)；涂布性能的高低直接關系到成本、合格率等切實指標。

專業術語——容量設計

電池設計容量=涂層面密度×活物質比例×活物質克容量×極片涂層面積

其中，面密度是一個關鍵的設計參數，主要在涂布和輥壓工序控制。壓實密度不變時，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，離子在孔隙內的遷移距離比極片厚度多出很多倍。

專業術語——N/P比

負極活性物質克容量×負極面密度×負極活性物含量比÷（正極活性物質克容量×正極面密度×正極活性物含量比）

從安全使用角度對于負極類電池N/P要大于1.0，一般1.06~1.1，主要為了防止負極過快、不可逆析鋰。實際設計時還要考慮工序能力，如涂布面密度偏差。但是，N/P過大時電池會不可逆容量損失，導致電池容量偏低，電池能量密度也會對應降低。而對于鈦酸鋰負極，采用正極過量設計，電池容量由鈦酸鋰負極的容量確定。正極過量設計有利于提升電池的高溫性能：在正極過量設計時，負極電位較低，更易于在鈦酸鋰表面形成SEI膜。

相比于傳統的鉛酸電池，鋰離子電池最大的相異點在于其電勢要明顯高于水的穩定電壓范圍，傳統的水溶液電解液無法應用在鋰離子電池中，因此人們開發了有機電解液體系，使得鋰離子電池能夠在高電壓下穩定的工作。

由于鋰離子電池的特點使得其對水份十分敏感，微量的水分都會嚴重的影響鋰離子電池的性能，因此在整個生產過程中都必須要嚴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生產過程中的環境水分控制，研究表明鋰離子電池在生產過程中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成本有著重大的影響。

同時電極在涂布烘干后，再次進入到空氣環境中時還會發生在此的吸水，絕大部分吸水會發生在暴露在空氣中的首個小時。例如，石墨材料有80%的吸水會發生在暴露在空氣中的首個小時里，而對于玻璃纖維和LiFePO4這一比例還要更高。

含水量過高會嚴重的影響鋰離子電池的循環性能，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的特點不盡相同，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間，并在烘干后盡快使用，避免在空氣中暴露過長時間，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，因此可以適當減少烘干時間。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格的烘干制度，并減少其在空氣中的暴露時間。

良好的電極烘干工藝應該在保證電極水分含量滿足要求的同時，又要盡量的節省烘烤時間，減少烘烤能量消耗。鋰離子電池生產中用到的材料種類很多，不同種類在烘烤過程中水分蒸發的特性不同（電極材料的比表面積、親水性、與水分子鍵合的強度是影響鋰離子電池含水量的關鍵因素之一），例如相比于傳統的鈷酸鋰材料，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需要根據材料的物理特點，制定針對性的烘烤工藝——節省烘干過程中的能耗，降低生產升本，提高電池利潤率。

控制點分解

涂布機結構模塊示意(雙層結構類似)

1、放卷機構(含放卷糾偏)

2、操作平臺

3、模頭（轉移式、擠壓式）

4、過程糾偏（視覺檢測+糾偏本體）

5、烘箱

6、收卷預糾偏

7、面密度測試儀

8、收卷機構

放卷機構

放卷機構由放卷軸、過輥、接帶平臺、張力控制系統、放卷糾偏系統等組成。基材自放卷軸開卷后，經由過輥、接待平臺以及張力檢測輥后進入涂布頭機構前這一段區域、基本參數如下。

操作平臺

設備人員全面操作涂布機、監控設備運行狀態、調節機臺參數、控制過程穩定性、中控指導等等一系列生產活動的區域，起到對應于汽車的駕駛室、火車的操控室、輪船的調度室、電腦的CPU等功能。

模頭

（結構上有轉移式模頭與擠壓式模頭之分、控制上分區線性馬達控制有待深入）

1）轉移式模頭

作為應用較早較廣泛的涂布技術，其由料槽、涂布輥、刮刀輥、背輥、驅動電機、減速機、精密軸承及高性能的氣動元件等組成；工作時涂輥轉動帶動漿料，通過調節對應刮刀間隙來調節漿料轉移量，并利用背輥和涂輥的配合轉動將漿料轉移到基材上，通過調節參數來實現連續涂布、間隙涂布等工藝。大致過程如下所示。

a) 涂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、同時控制削薄

b) 一定厚度的漿料層通過方向相對的涂輥與背輥轉動轉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，工作時漿料在一定壓力、一定流量下經過過濾裝置、傳送裝置后沿著涂布模具的縫隙擠壓噴出而轉移到基材上。相比其它涂布方式具有很多優點，如涂布速度快、精度高、濕厚均勻、涂布系統封閉，在涂布過程中能防止污染物進入，漿料利用率高、能夠保持漿料性質穩定，可同時進行多層涂布等等優點。并能適應不同漿料粘度和固含量范圍，與轉移式涂布工藝相比具有更強的適應性。

區別于轉移式涂布機要形成穩定均勻的涂層需具備以下幾點：
(1)漿料性質穩定(勻漿性能良好)，不發生沉降，粘度、固含量等變化可控。
(2)漿料上料穩定能實現穩定的流體控制狀態。
(3)涂布工藝在單卷涂布期間，在模頭與背輥之間形成穩定的流場。
(4)走箔穩定，不發生走帶滑動、嚴重抖動和褶皺

(5)優良的低速、中速、高速控制區間

過程糾偏(國內新升起應用產業)

對應當下涂布機速度越來越高、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之分

測量原理

對應在高速連續運作場合下，面陣相機已不適合來連續取圖測試，而此時通過連續的一行行動態取圖再拼接成一幅幅圖片正適合此類應用場合來使用：

特別的現今追求高效率的背景下涂布機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——>涂布機尺寸），此時靠人工檢測已經不具備現實意義，且在節能生產上也離不開視覺檢測，對應線掃相機的檢測優勢脫穎而出：

過程烘烤

涂布工序是鋰電池成型生產過程中的關鍵工序、而烘烤成型為涂布工序上關鍵節點；涂布極片的掉粉、烤焦、烤不干、壓實密度不達標、溶劑揮發不一致、漿料與箔材粘結力不夠等異常的出現都與烘烤的好壞有直接關聯；

從原理上來講，烘烤是將外部的熱量傳導到鋰電池極片的過程、是一個能量輸入輸出的過程、是完成熱交換的過程；對應的加熱介質有熱風(電加熱、蒸汽加熱、導熱油加熱)、紅外、微波(嚴格意義屬于波傳導熱)，對應市面上常用涂布機類型也有以上幾種；鋰電生產廠家在時間購買時綜合評估產品類型、產品數量、停機時間、維護成本、更新換代等因素后選出最適合自身實際的設備；

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風嘴流體

技術發展至今、涂布機熱源載體從電加熱、蒸汽加熱、微波加熱、到導熱油加熱，經歷數次規模變更，對應的是控制技術切換、烘箱、風嘴流體更改；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為例、其風嘴流體特性為由內至外(烘箱橫截面)；風嘴流體是烘烤作用終端、是直接影響涂布效果，對應市面上涂布機廠家修改的最多也是在此處；對應的烘箱本體、熱交換室、風道則雷打不動不改，不出事故不改、不退貨投訴不改。

大家可以思維發散想一想出現這種現象原因在哪里呢？

而特定產品高溫狀態其風嘴流體特性為由外至內(烘箱橫截面)；

對應風嘴模型示意

來源：鋰電派

原文始發于微信公眾號（鋰電產業通）：鋰電池涂布工藝及關鍵控制點

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鋰電池涂布工藝及關鍵控制點

作者li, meiyong

作者 li, meiyong

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