鋰電池行業雙面涂布技術綜述

常笑叢

（中航鋰電（洛陽）有限公司，河南 洛陽 471003）

鋰離子電池涂布生產中，一般采用單、雙面分開涂布的方式，即先進行單面涂布、單面烘干，再進行雙面涂布、雙面烘干。此種生產流程屬于直線排列式，所需設備、廠房及人力成本較大。為解決以上問題，開發了具有雙面同時涂布功能的鋰電池涂布機。雙面涂布機采用單、雙面同時涂布的方式，可提高設備及空間利用率，提升涂布質量，降低生產成本，其研究對鋰電池技術的發展具有重要推動作用。

1 雙面涂布機特點［1-3］

與單面涂布機相比，雙面涂布機的優勢有：單、雙面同時涂布，設備利用率及生產效率較高，設備投入成本低；涂布機數量減少，設備占用面積相應減小，廠房投入成本低；設備數量的減少也引起操作人員數量的降低，人力成本隨之降低；烘箱采用懸浮式烘箱，避免了單面涂布機反面涂布時正面涂層受背輥擠壓，造成涂層磨損的問題，提高了涂布質量；能耗降低。

但是，雙面涂布也存在一些技術難點：雙面涂布在進入烘箱之前兩面涂層均未烘干，此時，極片的平整度和張力的均勻度較難控制，它直接決定極片正反面重量的一致性及表面質量的優劣，是需要重點關注的技術點；烘箱的結構采用全懸浮式烘箱，方能保證涂層的完好，由于沒有過輥的支撐，基材在烘箱中的位置精度不易控制，對機頭結構、烘箱風嘴結構、熱風速度及流向等要求苛刻。

2 雙面涂布機分類

雙面涂布機的設計依據其烘箱結構的不同分為雙層烘箱式和單層烘箱式兩種。

2.1 雙層式烘箱

雙層烘箱式雙面涂布機設置有上下兩層烘干通道，與傳統的單雙面分開涂布的方式相比，此種涂布機在平面上節省空間，但在高度方向上需要空間加倍，同時由于烘箱數量不變，對于空間、能耗、涂布質量的改善力度有限。

2.2 單層式烘箱

單層烘箱式雙面涂布機在烘箱同一側設置兩個涂布模頭，分別用于正面涂布和反面涂布，相比于傳統涂布機，此種涂布方式只需增加一套涂布裝置即可，能夠在空間、設備數量、人力成本及能耗方面有所降低。同時，正反面涂層均經過烘箱一次，可以消除二次烘烤對正面涂層質量的影響。

3 雙層烘箱式雙面涂布機結構特點

黃志剛［1］等研發了一種雙面涂布機，包括放卷機、第一、二面涂布頭、第一、二面烘干箱、擺角糾偏裝置、過輥裝置、工作站臺、浮動張力裝置、放帶機構與爐口過輥組件。其中，第一面烘干箱與第二面烘干箱相平行，第二面烘干箱位于上層，第一面烘干箱位于下層。第一面涂布頭機構位于第一面烘干箱的入口處，第二面涂布頭機構位于第二面烘干箱的出口處。

鐘智帆［2］研發了一種涂布機結構，包括由正向和反向涂布頭構成的涂布裝置、開卷機、收卷機和加熱烘干裝置（圖1）。加熱裝置的結構為兩道獨立運轉的烘箱按上下疊加的方式放置，兩道烘箱之間設有平臺作為支撐和間隔，開卷機、收卷機和涂布裝置分別設置在上下烘箱的兩端，可以縮小設備占地面積，提高生產效率。同時，上下烘箱可以相互保溫，上烘箱可以降低下烘箱向上的溫度損失，下烘箱可以降低上烘箱向下的溫度損失，從而降低加熱功率，減小能耗。

圖1 一種高效節能組合式雙面涂布機

鐘學安［3］等將上下兩層烘干箱進行合并，在同一個烘干箱內部設置上下兩層通道。烘干箱設有上下兩層熱風噴口，下層熱風噴口進口處安裝第一面涂布裝置，上層熱風噴口出口處安裝第二面涂布裝置。工作時，基材經過第一面涂布裝置后進入下層熱風通道烘干，之后經過第二面涂布裝置再進入上層熱風通道，最終實現雙面涂布。

此項技術雖然由雙層烘箱更改為單層烘箱，但其單雙面烘干通道獨立分開，相對雙層烘箱來說，能夠節省一定的高度，但從本質來講，其仍然可以視為雙層烘箱。

總而言之，雙層烘箱式雙面涂布機不能很好地解決傳統涂布方式帶來的不良影響，其主要作為雙面涂布技術研發的跳板，提供解決思路和方向。

4 單層烘箱式雙面涂布機結構特點

4.1 兩個涂布頭均位于機頭

植松育生等［4-5］發明一種雙面涂布設計，兩個涂布頭均安裝于機頭位置，第一面與第二面均涂覆涂層后極片再進入烘箱，實現了真正意義上的雙面涂布。其設計分為三種類型。

4.1.1 先第一面涂布，再第二面涂布，從放卷機構至烘箱階段極片張力相同（圖2）。第一、第二涂布頭分別在相對應涂覆輥的作用下進行涂布，隨后兩面涂覆完畢后的極片進入烘箱干燥。其中，第二涂覆輥42由小徑部42a和大徑部42b組成，保證小徑部對應涂覆區，大徑部對應留白區，如此即可保證第一面的涂布質量。同時，涂覆輥上開有空氣送出口43，可以對基材噴出空氣，防止第一面涂層與涂覆輥接觸。

圖2 第一種雙面涂布方式

4.1.2 第一面、第二面同時涂布，從放卷機構至烘箱階段的張力分為兩個部分（圖3）。機頭結構依次為夾入輥21、張力傳感器22、兩面涂布頭70、夾入機構80、干燥裝置。此種設計方法可以調整夾入輥21和夾入機構80之間區域Q1的張力成為適合涂布的張力，而夾入機構80和干燥裝置50之間的區域Q2亦可以獨立調整為適合干燥的張力，過程張力可控，更好地保證了涂布質量。

圖3 第二種雙面涂布方式

4.1.3 先第一面涂布，再第二面涂布，從放卷機構至烘箱階段張力分為三個部分（見圖4）。從夾入輥21支吸引輥30之間區域E1調整為適合第一面涂布的張力，吸引輥130和夾入機構80之間的區間E2調整為適合于第二涂布的張力，夾入機構80和干燥裝置50之間的區間E3能夠成為適合于干燥的張力。此種方法為第二種設計方法的進一步優化，具有更高的張力控制手段。

圖4 第三種雙面涂布方式

黃春章也提出雙面涂布的方法［6］，先第一面涂布，再第二面涂布，機頭所有區域張力相同。

以上雙面涂布方式，由于兩面均有濕涂層，無法使用支撐輥傳送，基材在左右和上下方向很容易發生位置的偏移和波動，會導致涂層邊緣的不整齊和厚度的不均，不利于涂層的精確涂覆。因此，針對問題研究人員又提出進一步的改善措施及解決辦法。

4.2 兩個涂布頭均位于機頭，同時保證基材位置的相對固定

4.2.1 優化涂布輥，在基材寬度方向施加從中間向兩側的張力，保證基材平整。中畑政臣等［7-8］對涂布輥進行優化，使基材在寬度方向受一定的拉伸力，保證涂布過程中基材表面的平整和位置的固定。

對輥子結構提出四種優化方式和四種可行的涂布方式（圖5）：涂布輥軸體為圓柱形，軸向兩側的輥徑大于中間的輥徑；涂布輥由四個圓柱形柱體組成，兩側輥徑大于中間輥徑，柱體間通過等速萬向節連接；涂布輥為齒輪結構，兩側的輥徑大于中間的輥徑；涂布輥為旋轉結構，由四個圓錐臺狀輥子組成，兩側直徑大于中間直徑，兩側輥子通過軸體連接，中間輥子通過等速萬向節連接。

圖5 不同涂布輥結構可行的涂布方式

這四種結構在涂布過程中兩側輥子的圓周速度均大于中間輥子的圓周速度，在基材寬度方向產生向兩側拉伸的作用力，保證基材位置的準確性和表面的平整度。

4.2.2 在兩側留白區增加特殊裝置，保證基材平穩。渡邊敦［9］也設計了一種能夠防止基材顫動的涂布裝置，在基材兩側留白區安裝了一對旋轉體，該旋轉體能夠在基材水平及垂直方向上進行距離的調整，從而較好地控制基材的張力，防止了運行過程中基材的抖動及涂層厚度不均的問題。該旋轉體可放置在涂布頭前、涂布頭后以及前后均設置。

4.2.3 優化擠壓模頭結構，在保證涂層厚度均勻性的前提下由模頭控制基材張力。黃春章提出了一種特殊結構的正反面涂布模頭［10］，可在沒有支撐輥的前提下保證涂層厚度和基材張力。沿基材前進方向在正、反面涂布模頭上設置上唇、下唇，上唇外端為直角，上唇高度低于下唇0.5-2mm。涂布時，基材與上唇接觸，不與下唇接觸，此時上、下唇與基材形成一定的空間，此空間即是有效涂布空間，直接決定涂層的厚度。有效涂布空間的大小可以通過改變正反面涂布模頭與基材的角度進行調整（圖6）。

圖6 特殊結構的模頭

5 結語

雙面涂布較為成熟的一種方式為正、反面涂布模頭均安裝于機頭，分別位于基材的上下側，烘箱采用單層烘箱式。首先正面涂布，正面涂層經過過輥及張力輥之后再進行反面涂布，正面與反面涂布相差1m左右。雙面涂布技術目前對于提高產品質量、產能及降低成本有很大的優勢。

［1］黃志剛.一種雙面涂布機：中國，201959912U［P］.

［2］鐘智帆.高效節能組合式電池極片雙面涂布機：中國，102698933A［P］.

［3］鐘學安.電池極片雙面涂布機：中國，201108882Y［P］.

［4］植松育生.雙面涂敷裝置以及雙面涂敷方法：中國，102430498A［P］.

［5］Ikuo UEMATSU,Yokohama-shi（JP）.Double-sided coa ting apparatus and double-sided coating method:US2012/0076933A1［P］.

［6］黃春章..一種擠壓式雙面涂布機：中國，103230861A［P］.

［7］中畑政臣，植松育生.雙面涂布裝置：中國，CN102632017B［P］.

［8］Masaomi Nakahata,Kamakura-shi.Double-sided coating apparatus：US2012/0204787A1［P］.

［9］渡邊敦.雙面涂布基材用輸送裝置：中國，CN102470389A［P］.

［10］黃春章.一種鋰電池材料雙面涂布機：中國，104028423A［P］.

［11］關敬黨，謝禮，王光巖.雙面涂布機構：中國，CN204503472U［P］.

［12］郭炳焜，徐徽，王先友，等.鋰離子電池［M］.長沙：中南大學出版社，2002.

［13］吳宇平，戴曉兵，馬軍旗，等.鋰離子電池-應用與實踐［M］.北京：化學工業出版社，2004.