高速、高精智能化鋰電池涂布機關鍵技術研究*

張紅梅，盧 亞，明五一，周曉雄

0 引言

大容量動力蓄電池逐漸成為動力電源的主體，其中作為綠色蓄電池的動力鋰電池，以其能量高、工作電壓高、工作溫度范圍寬、體積小、質量輕、貯存壽命長等特點，且具有不會造成二次污染、不具有記憶效應等優(yōu)點，已成為新能源儲能、新能源汽車動力電源、航空航天市場應用的首選[1-3]。

但鋰電池生產(chǎn)裝備仍是制約國內當前鋰電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個重要瓶頸，如攪拌、涂布、卷繞、注液作為鋰電池制造的關鍵工藝環(huán)節(jié)，對裝備的依賴性非常高[4-7]。國外高端裝備雖然生產(chǎn)效率高，品質優(yōu)良，但價格昂貴，且難以適應國內的原材料及生產(chǎn)環(huán)境；國內裝備在自動化程度、生產(chǎn)速度、生產(chǎn)電池的品質及一致性等方面與國外高端裝備相比還存在較大差距；整個鋰電池生產(chǎn)行業(yè)亟需適應國內需求的高速高精、智能化生產(chǎn)程度高的攪拌、涂布、卷繞、注液等關鍵設備。

此外，國務院發(fā)布的《關于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》（國發(fā)〔2010〕32號）指出：“十二五”期間我國將重點培育和發(fā)展新能源、新能源汽車、高端裝備等七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，到2015年，戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)增加值占國內生產(chǎn)總值的比重力爭達到8%左右；到2020年，這一比重將力爭達到15%左右；再經(jīng)過10年左右的努力，戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的整體創(chuàng)新能力和產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平達到世界先進水平，為經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展提供強有力的支撐。

1 鋰電池涂布機的主要工藝流程

鋰電池涂布機主要是用來將陰陽極鋰電池漿料均勻地涂覆在厚度為6～30μm的銅箔或鋁箔上面，并進行烘干處理，烘干后極片的厚度約為0.1～0.2mm。其工藝流程為：安放在放卷裝置上的極片基材經(jīng)自動糾偏后進入浮輥張力系統(tǒng)，調整放卷張力后進入涂布頭，極片漿料按涂布系統(tǒng)的設定程序進行涂布。涂布后的濕極片進入烘箱由熱風進行干燥。干燥后的極片經(jīng)張力系統(tǒng)調整張力，同時控制收卷速度，使它與涂布速度同步。極片由糾偏系統(tǒng)自動糾偏使其保持在中心位置，由收卷裝置進行收卷。具體見圖1。

圖1 鋰電池涂布機主要工藝流程及其示意圖

2 鋰電池涂布機的主要研究內容

圖2 鋰電池涂布機主要研究內容

從圖1可見，鋰電池涂布機主要包括放卷、擠壓涂膜、極片烘干收卷幾個過程，輔以張力糾偏、實時監(jiān)測等。放卷是將待涂布卷料基材展開；擠壓涂膜是將陰陽極漿料通過泵送系統(tǒng)由周轉罐，通過擠壓模頭，與涂布背輥配合將漿料均勻快速涂布到基材銅鋁箔上的過程；極片烘干是將涂布有濕的陰陽極漿料的極片通過熱風烘干的過程；收卷是將烘干后的極片整齊的收成卷料，待后面的工藝使用；張力是用來控制極片的張緊程度，糾偏是用來控制極片的對齊程度；實時監(jiān)測則包括膜厚監(jiān)測、張力監(jiān)測等，以保證整個涂布過程的順利進行。要實現(xiàn)動力鋰電池高精度高均勻性下的高效涂布，即是要改進涂布過程中的上述幾個方面。

3 鋰電池涂布機的關鍵技術研究

3.1 擠壓涂布技術

本裝備中的擠壓涂布系統(tǒng)主要包括漿料泵送系統(tǒng)、擠壓模頭及控制系統(tǒng)，具體見圖3所示。

圖3 擠壓涂布系統(tǒng)結構圖

擠壓涂布過程中的關鍵在于擠壓模頭的設計，而模頭的設計必須依據(jù)漿料的流變特性，故本裝備研發(fā)過程中首先根據(jù)高粘度高固含量鋰電池電極材料的特性，獲取漿料的流變曲線。在此基礎上，根據(jù)測得的漿料的流變曲線和粘度特性，進行擠壓模頭腔體的設計，并進行數(shù)值模擬和仿真分析，如圖4、圖5所示。根據(jù)仿真分析的結果，得到最佳的擠壓模頭型腔形狀，從而使得漿料在模頭唇口處的壓力、流速、流量等達到均勻穩(wěn)定。

圖4 設計腔體形狀圖

圖5 設計腔體的應力分析圖

3.2 快速烘干技術

在涂布過程中，烘干快慢直接決定了涂布的速度；烘干的質量直接決定了電池的性能，所以一種高效又高質的烘干技術非常重要，本項目從以下兩個方面來解決上述問題，從而達到又快又好的烘干極片。

（1）懸浮式烘干技術

前面4節(jié)烘箱主傳動方式，伺服電機控制，導輥呈弧形分布，總落差400 mm以上；導輥表面鍍硬鉻，直徑?60 mm；后面的烘箱全部采用懸浮烘箱。現(xiàn)在的其懸浮式風嘴機構如圖6所示，左邊的為常用風嘴，右邊為改進型風嘴設計。

圖6 懸浮式風嘴機構示意圖

正常工作溫度控制、超溫監(jiān)測報警保護控制，超溫時將出現(xiàn)聲光報警，并切斷加熱主電源；各段完全獨立控制；單節(jié)溫差：≤5℃；溫控表顯示精度0.1℃；高溫過載保護。上、下吹風，上下風量通過閥門分別控制，單節(jié)總風量由變頻電機控制；上下風室共用加熱體；上下腔體壓力監(jiān)測，腔體內外壓差監(jiān)測。

（2）基于空氣動力學的風道設計

烘箱內的溫度的傳導主要以空氣為介質，將溫度均勻地傳遞到烘箱內的各個區(qū)域，為了保證極片烘干時的效果，避免外干內濕、皸裂等現(xiàn)象，需要保證溫度在整個烘箱內的溫度分布合理。故此，本裝備將基于空氣動力學來從理論上對烘箱的設計進行指導，包括風嘴的位置、開口的大小、風速的大小等方面，其干燥系統(tǒng)圖如圖7所示。

圖7 干燥系統(tǒng)示意圖

3.3 實時張力控制與糾偏技術

在涂布的過程中，主要是將漿料涂覆在基材上面，基材是厚度為6～30μm的銅箔或鋁箔卷料，為保持涂布的均勻，且干燥快速，需要利用收放卷機構及張力和糾偏系統(tǒng)來控制卷料基材的運動速度從而保證涂布質量。總的來說張力和糾偏系統(tǒng)主要包括三個部分：一是放卷部分的張力和糾偏控制，本裝備采用閉環(huán)自動控制恒張力，0～15 kg可調，誤差≤3%；二是烘干部分出烘箱段的張力，本裝備采用閉環(huán)控制自動控制恒張力，張力0～25 kg可調；三是收卷部分的張力，閉環(huán)控制，通過控制浮輥位置恒定的方式控制張力穩(wěn)定，電氣比例閥給定張力，張力傳感器檢測張力，張力設置范圍50～200 N，變張力收卷，錐度系數(shù)0～50%。最終達到保持張力穩(wěn)定以使涂布均勻，同時收卷整齊，避免起皺。張力控制原理圖如圖8所示。

圖8 張力控制原理圖

鋰電池的基材非常薄，通常為30微米以內，在涂布的過程中，若不采取糾偏處理，則容易引起基材起皺，導致涂布不均勻，收卷不整齊，更有甚者會導致基材局部拉力過大而破壞基材。本裝備中采用自動EPC（對邊糾偏）邊緣檢測糾偏方式來保證基材的平行度和平整度，通過電氣驅動超聲波檢測（可檢測透明箔材），移動范圍±50mm，糾偏控制器精度＜±0.2mm，從而使涂膜邊沿對齊度≤±0.5mm。

3.4 實時膜厚監(jiān)測反饋閉環(huán)控制技術

從整個涂布機的結構和組成可以看到，涂布質量是多個部分，多個因素共同作用的結果，任何一點細微的變動都可能會引起最終的涂布厚度均勻性達不到產(chǎn)品要求，故采取了上述的各種措施，如采用特制的擠壓模頭、先進的張力和糾偏技術、快速烘干技術之外，還需要對產(chǎn)品的質量進行實時在線監(jiān)測，并閉環(huán)自動調整，才能保證生產(chǎn)的產(chǎn)品滿足后續(xù)生產(chǎn)需要和鋰電池產(chǎn)品質量要求。本項目采用Beta-ray測厚技術，配合閉環(huán)自動控制技術來達到涂布厚度的實時監(jiān)測反饋閉環(huán)控制，具體如圖9所示。

圖9 實時監(jiān)測反饋閉環(huán)控制原理圖

4 結束語

圖10 高速、高精智能化鋰電池涂布機樣機

本項目研發(fā)出了具有自主知識產(chǎn)權的單面精密快速擠壓涂布機，樣機如圖10所示。該裝備在滿足性能要求的同時降低了我國鋰電池制造企業(yè)的生產(chǎn)成本，可替代昂貴的進口產(chǎn)品。項目綜合采用運動控制、伺服驅動、傳感器、計算機技術等多種學科和技術，屬集成創(chuàng)新，通過關鍵工藝、新型結構、關鍵技術等方面的創(chuàng)新研究應用，實現(xiàn)了放卷、糾偏、張力控制、漿料輸送、涂布、烘干、收卷等多功能復合一體化結構，涂布速度為15～30m/min，部分指標達到國際先進水平。