AB两面同时涂布技术

百科   2025-01-20 14:18   广东  

最近,重新发布了一个视频,介绍几种狭缝挤压涂布技术,有朋友希望详细介绍一下双面涂布技术,今天再次分享:AB两面同时涂布技术。文章中涉及的公司产品技术信息来源于网络,主要目的在于分享相关技术。

2010s时期,锂离子电池涂布机一般是单面涂布,一卷极片两次操作,先A面涂布干燥后收卷,然后再进行B面涂布。后来,设备厂家开发了双面涂布机,主要是折返式加工,涂布烘箱两侧分别设置涂布模头,先在一侧涂布A面,进入烘箱干燥后,再在另一侧涂布B面,再次进入二层烘箱干燥,然后收卷,完成两面涂布加工。

最近几年又开发了两面同时涂布装置和技术,相较于现有的单面涂布和双面折返式的加工原理,这种涂布机可实现双面同时涂覆、烘干工序,减少以往的重复动作,进一步提高涂布效率。

2016年,赵伯元教授申请了专利《同时双面挤压涂布装置》,该装置包括正面涂布单元(计量泵1-2和挤压涂布模头2-2)、背面涂布单元(计量泵1-1和挤压涂布模头2-1)、涂布辊(3)、基材(4)、气浮转向器(5)和漂浮干燥器(6)。,当涂布辊(3)转动时,基材(4)行进方向为垂直向上方向,对于垂直向上运动的基材(4),正面涂布单元和背面涂布单元安装于不同的高度位置。两面涂布完成后,气浮转向器(5)将垂直向上运动的涂有双面涂层的极片转变为水平运动,气浮转向器(5)上呈漂浮状态,极片内侧涂层与气浮转向器(5)为非接触状态。极片进入漂浮干燥器(6)时呈漂浮状态,非接触状态。

日本松下的专利《两面涂布装置》示意图如下,正面涂布头4对基材10的正面10a在涂布辊12处涂覆正面涂层18,然后基材被吸附机构14吸住10b面,基材张紧,该吸附机构设置了多个吸引部件22,一部分沿着基材输送方向排列,一部分沿着基材的宽度方向上中央部向两端部扩展的方式排列,从而使基材走带方向和宽度方向都张紧,防止卷曲与褶皱。部件16和24是支撑结构,由使基材10浮起的浮起装置构成,混合设置有多个空气等气体喷出孔;以及多个吸气孔,其吸引气氛气体。基材10因正压与负压的平衡而在浮起装置上保持一定高度的浮起。涂布模头6涂覆第二面,然后采用漂浮干燥箱8对两面涂层进行干燥。

实际的两面同时涂布机产品方面,目前也有多个公司的相关报道。据多年前新闻,金银河突破双面同时涂布工艺。他们开发的产品,集流体竖直走带,两个模头分别放置在基材两侧进行两面涂布。

产品主要有五项创新点:第一,自主研发的组合挤压式涂布模头,具有硬度高、耐磨、耐腐蚀、浆料适应范围广、调试方便等优点,配合精准料液输送系统和高速反应控制阀系统,实现高精度、高速度双面同时涂布;第二,特别设计的飘浮式高速烘箱,采用单层烘干通道上下供风结构和热风流场稳定设计,配合优化排列组合的漂浮风嘴,可满足烘箱对60m/min甚至更高走带速度的要求;第三,攻克涂布过程中极片抖动、涂层波动的技术难题,实现了极片正反两面涂覆后一次性烘干,有效避免了二次烘干对涂层的伤害,提高电池性能;第四,利用双闭环恒张力控制及自动纠偏系统,有效保证设备运行的稳定性和精确性,并可实现分段自动控制。

杜尔集团(Durr)也推出了双面同时涂布机,该涂布机包括两个相距很短的涂布模头,第一个涂布模头在涂布背辊上采用狭缝模头实现挤压涂布,紧接着在张力绷紧的基材上垂直挤压出料在背面实现狭缝模头实现挤压涂布,一次性涂覆箔的两侧,然后采用空气漂浮干燥箱,极片两侧非接触式双面同时干燥。

信宇人也推出了两面同时涂布机,他们的发明专利“新型双面涂布方法及装置”描述:装置包括正面涂布模头1和反面涂布模头2,正面涂布模头1和反面涂布模头2位于烘干箱3的进料口一侧,张力辊4与料带的正面接触,用于改变料带的前进方向,且沿料带的前进方向分为反面涂布区域和正面涂布区域。反面涂布模头2设置在反面涂布区域内的任意位置;并由反面涂布模头先将电极材料涂布在料带的反面上;反面涂布模头2之后的反面涂布区域6的附近设有对反面涂布模头所涂的电极材料进行预干燥的干燥装置7。将正面涂布模头1设置在反面涂布模头与烘干箱之间,由正面涂布模头1再将电极材料涂布在料带的正面上。全气浮式高速烘箱设计,独立上下供风结构和稳流静压室让热风流场更稳定,配合最优排列的漂浮风嘴,可满足烘箱对70m/min甚至更高涂布速度的要求。

华中科技大学周华民、张云教授团队和信宇人也共同发表的文章,介绍了一种新型接触式的涂布模头,应用于第二面的涂布,提高AB双面同时涂布涂层的均匀性。并且,他们还开发了一种双面狭缝涂布接触式模头的模拟计算方法,该方法能够准确分析双面涂布中第二面涂布时基材变形对涂布液珠的成形过程和对涂布稳定性的影响。
         
如图1所示,一般涂布机采用先涂敷第一面,干燥后再涂敷第二面(图1a),或者分别在涂布烘箱两侧设置涂布模头,往返式涂布两面。而双面同时涂布机在涂布头一侧设置两个涂布模头,分别在集流体的双面涂敷涂层,然后进入悬浮烘箱干燥(图1b)。一般地,涂布模头和箔材之间形成间隙,浆料在间隙中间形成稳定的流场,实现涂层均匀涂布。但是,双面同时涂布机由于第一面存在湿涂层,在涂敷第二面时不能设置背辊支撑箔材,基板在干燥空气的作用下会发生振动,在涂布模头引起涂布间隙波动,从而影响涂布流场不稳定,导致涂层不均匀性问题。因此,对于双面同时涂布机,涂覆第二面时的涂覆均匀性是一个巨大的挑战。
         
新型接触式模头如图1d所示,上游模头部分具有与基材接触的弧形表面,且基材在模头和基材张力的作用下由倾斜变为水平。模唇与上游模唇之间得到良好的支撑,可以减小涂布间隙的波动。第一面的模头与传统单面涂布模头相同。
         
图1  (a)传统单面狭缝涂布的示意图,(B)同时双面狭缝涂布的示意图,(c)使用非接触狭缝模头的狭缝涂布的细节,和(d)使用接触狭缝模头的狭缝涂布的细节
         
新型接触式模头双面同时涂布机设备如图2所示,采用该设备对比实验了传统模头和接触式模头的涂层均匀性。同时双面涂布的实验步骤为:首先固定基材(铜箔,10 μm)张力和涂布速度。然后,通过两个精密螺杆泵将负极浆料同时泵送送到非接触狭缝模头(第一面涂布)和接触狭缝模头(第二面涂布)中。浆料通过狭缝均匀化,挤出到移动箔材上以形成涂层。然后,在没有任何接触的情况下,通过漂浮喷嘴将基材输送通过干燥箱。将激光传感器装在干燥箱侧以测量箔材的振动
         
图2  (a)实验平台示意图,(B)实验平台照片,(c)接触式的狭缝模头,和(d)接触式的狭缝模唇的横截面细节。
         
涂布间隙波动的对比实验结果如图3所示, 接触式模头的间隙波动振幅比非接触式模头的小约两个数量级。两者之间的大差异是由于图2a所示模头左侧基底固定点的变化所致,对于接触的狭缝模头,基板左侧上的固定点是上游模头(点1),对于非接触式狭缝模头,固定点变为安装在涂布模头上游的支撑辊(点2)。因此,基底支撑点到涂布间隙的跨度从L = 550mm变为L = 700mm,在模头中心处箔材的波动幅度将迅速增大,这就会导致涂布厚度波动。
         
图3 涂布厚度= 170 μm和涂布速度= 10 m/min时,接触式狭缝模头和非接触式狭缝模头的涂布间隙波动幅度A g 随频率的响应
         
此外,他们还建立了一个接触式模头第二面涂布模型,还建立了一个间隙波动模型来描述涂覆第二面时由振动引起箔材波动,同时考虑涂布液滴流场和箔材的振动。模型首先采用流体力学和VOF两相流模型计算涂布流场,将涂布初始流场数值计算结果,主要为基材表面的压力分布作为初始条件应用于间隙波动模型,进行流固耦合数值计算,如图4所示。采用该模型,他们计算了间隙波动的频率、涂层厚度和涂层速度对涂层均匀性的影响。
          
图4  移动箔材振动和边界条件示意图
         

随着两面涂布技术无背辊稳定涂布、全漂浮走带干燥等难点不断突破,可能不久的将来锂电厂家采用两面同时涂布机就会成为主流,期待锂电技术不断更新迭代。

参考文献

[1]Penghui Tan, Simian Diao, Tianlun Huang, Tengfang Zhang, Zhiming Yang, Yun Zhang, Huamin Zhou,Numerical and experimental study on coating uniformity control in simultaneous double-sided slot coating with a novel contacted slot die,Chemical Engineering Science,Volume 222,2020,115716.

[2]专利,一种用于双面狭缝涂布接触式模头的模拟计算方法201811254577X.


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