新能源鋰離子電池雙層高速擠壓涂布設備的改進設計分析

摘 要： 當前傳統的新能源鋰離子電池生產線的涂布工序存在工作效率低，涂布不均等問題，影響了整個生產線的生產效率與進度。為此，需要開發一種高效率的雙層高速擠壓涂布設備。文章結合新能源鋰離子電池雙層高速擠壓涂布設備項目，主要從涂布系統與干燥系統分析了雙層高速擠壓涂布設備的改進設計要點，期望為同類設備的開發提供借鑒。

關鍵詞： 涂布裝備;設計;涂布系統;干燥系統

一、 引言

隨著社會對新能源電池需求的不斷加大，社會對新能源電池生產設備的需求也不斷加大。涂布工藝是實現新能源鋰離子電池生產的重要工序，雙層高速擠壓機設備是實現該工序的核心設備。傳統的雙層高速擠壓機設備難以滿足現代自動化生產需要，例如涂布不均勻、收放卷工作不穩定，出現未烤干粘輥現象等。文章結合新能源鋰離子電池雙層高速擠壓涂布設備項目，主要從涂布系統與干燥系統分析了雙層高速擠壓涂布設備的設計要點，解決現有涂布設備作業過程中存在的問題。

二、項目概況

雙層高速擠壓機涂布設備是新能源電池生產中的核心裝備，其主要的作用是可以將含有活性物質、導電劑及黏結劑的漿料均勻的涂覆在集流體上，這是電池外層的重要保護涂裝，也是多層電池生產中核心裝置。在完成涂覆之后，將集流體放置在烘箱內進行烘烤，隨后在干燥之后可以形成后鋰離子電池的正負極極片。為改善現有涂布設備存在的涂布不均勻、出現未烤干粘輥現象、效率不高等問題，公司開展雙層高速擠壓涂布設備改進設計項目，研究者主要負責該項目涂布工序雙層高速擠壓機設備開發的需求分析，概念設計，方案評審，設備現場安裝調試，驗收，問題優化改善等工作。

三、雙層高速擠壓機設備系統分析

雙層高速擠壓機設備在構造上主要包括以下幾個部分構成，包括有：收放卷系統、糾偏系統、供料系統、涂布系統、張力系統、干燥系統等。收放卷系統能夠維持基材運行位置的穩定，保證基材供料的持續有效，其核心技術是將收放卷的張力進行科學有效調節，使得張力可以根據卷徑變化而進行相適應的調整變化。糾偏系統能夠維持基材運行過程中位置的正確性。供料系統的作用主要是為加工生產單元提供基礎的原物料，該系統包括緩存罐、過濾器、漿料輸送泵。涂布系統是高速擠壓設備的核心系統，運動原理是通過伺服系統驅動連桿機構將漿料在集流體上的系統實現均勻涂覆。干燥系統是涂布系統的后處理設備，主要功能利用烘干機械將涂布后的極片快速均勻有效的烘烤，從而可以達到系統所需要實現的干燥要求。

四、 新能源鋰離子電池雙層高速擠壓涂布設備改進設計要點

（一）涂布系統

涂布系統的主要作用是將新能源鋰離子電池所用到的活性物質、導電劑以及黏結劑進行均勻涂覆作業。為了保證涂覆工藝上的均勻與穩定，在涂布系統中需要安裝計量泵進行供料計量，方便對供料實現精確控制。涂布系統采用計量泵供料，其特點為供料穩定、定量且輸出，能夠為涂布模頭提供一個穩定的腔體壓力，為均勻涂布提供條件;涂布供料動力系統的壓力大小會對涂布厚度和涂布尺寸均有影響。假設供料動力系統的壓力不穩定，就難以保證整個系統涂布效果達到預期效果。在動力系統的供料過程中，端口所安裝的過濾器也是影響供料品質的重要影響要素之一。供料系統在供料后，如無法將漿料中大顆粒物質加以過濾，后面在連續涂覆中就會使得各類顆粒在局部發生堆疊，使得涂布不均勻，存在凹凸現象。在實際涂布加工上要根據對漿料的細致程度來確定系統濾芯的目數，所選擇濾芯的數量越大，在此可實現過濾漿料顆粒的粒徑也會越小。在涂布執行機構方面，需要注意的問題是涂布執行過程中，需要保持漿料運輸與涂覆中的同等厚度性，避免在該過程中漿料出現黏連，需要實時進行調整。

在系統實際運行過程中，均勻涂布是一個精確加工的過程，在該系統上會用到模頭限位的方式來進行均勻涂布。模頭與涂布輥是涂布系統的常見問題部位，兩者間距太小的話會因為相互干涉而導致漿料的不均。如果連接間隙太大的話，又不能實現兩者作業的有效聯動，就無法連續完成涂布作業，如圖1所示。

在圖1中的涂布模頭與涂布輥的安裝不平行也會使得極片涂布會發生偏斜而受力不均，會使得極片邊緣不存在削薄區，不對稱的收卷電極兩邊發生嚴重的鼓邊現象，后期在鋰離子電池埋線中會使得裸電芯無法進入鋁殼，就容易使得電池壽命大大降低，甚至失效。這種工藝問題對電池生產會形成較大的損失。對于這種細節，除了各傳動部件安裝不對稱不平行，也是由于傳動機械零件在設計上沒有進行倒角而造成的。墊片邊緣是直角的設計會使得涂覆供料在無倒角銜接的情況下，出現供料在直角出處被堆積，難以平順進入漿料涂布的間隙而被有效擠壓，這樣就更難以有效釋放其內部的壓力，進而會導致涂布兩側在展開過程中出現涂布不均勻現象。對此，可在墊片邊緣增加相應的倒角，倒角的作用不僅可以加大銜接角度，并且可以將原先直角多帶來的壓力得以充分釋放，解決應力集中的問題，在原有的基礎上較大程度地降低耗損。

（二）干燥系統

干燥系統的原理主要是通過熱輻射進行的，在干燥系統中以烘箱為主要干燥措施加以熱輻射烘干，其干燥程度通過溫度傳感器來加以控制。烘箱的加熱方式是通過電加熱、蒸汽加熱及熱煤油等方式來實現熱傳遞;在烘箱結構上的表現形式是通過前端的主動過輥來對被烘干物品進行持續烘干作業的，在中后部分則主要通過懸浮烘箱來進行烘烤。該結構的主要構建膜片不通過上下風嘴接觸，而是依靠上下吹風的壓力差克服重力進行懸浮運行的。干燥系統在參數設定上，需要根據涂布作業后的涂覆材料狀態來確定。項目電極在烘箱中發生過烘烤開裂，或者是未烤干粘輥等不良現象，對此，需要設計合適的溫度及風量參數。項目在整段烘箱加熱的工藝中應該分成四段，分別為升溫加熱、恒溫加熱、降溫加熱、冷卻四步。每步烘箱的設定溫度，循環風機轉速，新風的供給以及排風的大小直接影響到極片的烘干程度和質量。經過不斷地實驗和調整，設計出合適的溫度及風量參數，解決了烘烤開裂與未烤干粘輥的問題，保證了系統的烘干效果。

五、結論

文章針對傳統鋰離子電池雙層高速擠壓涂布設備涂布效率慢，涂布效果差等問題，開展了涂布系統的綜合改進設計探究。項目通過在墊片留到邊緣增加適當尺寸的倒角，對烘干工藝設計合適的溫度及風量參數，保證了設備的涂布質量與烘干質量，有效實現了該生產線的預期生產目標，為同行在該方面研究提供了參考。

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作者簡介：? 張略，江蘇塔菲爾新能源科技股份有限公司。