隨著鋰電池制造成本的降低和產(chǎn)品性能的提升，鋰電池在人們的生活中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。這對(duì)鋰電池的產(chǎn)品性能提出了更高的要求，也對(duì)鋰電池制造工藝過(guò)程提出了更高的要求。鋰電池的一大核心工藝就是極片制備，在制備出正、負(fù)極極片后，通過(guò)卷繞或疊片等工藝，注入電解液，經(jīng)封裝充放電激活后成為可以使用的電池。

其中，電池極片是一種三明治結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，主要由活性物質(zhì)顆粒、粘結(jié)劑和導(dǎo)電劑等組成的兩面多孔涂層，以及夾在中間的金屬集流體箔材。正負(fù)極漿料制備完成后，經(jīng)涂布工藝將之涂覆在鋁箔、銅箔上。

鋰電池正極極片

鋰電池極片涂布過(guò)程

而對(duì)于極片的涂布工序，涂布后的極片干燥是主要能耗單位之一，也是研究的重點(diǎn)。極片干燥過(guò)程中殘留溶劑對(duì)極片后續(xù)加工的穩(wěn)定性、容量以及循環(huán)壽命影響極大，其過(guò)程不僅影響電池的制造成本，也間接決定了制造工藝水平以及電池的安全性。由于對(duì)鋰電池極片涂布干燥過(guò)程缺乏深入的研究，目前普遍在干燥效率上難以有質(zhì)的提升。

極片干燥技術(shù)

干燥的直接目的是促使涂覆漿料中的溶劑有效且迅速地脫除。極片干燥方法眾多，常見(jiàn)的干燥方法主要有熱風(fēng)干燥（對(duì)流熱風(fēng)干燥、雙面送風(fēng)漂浮干燥、循環(huán)熱風(fēng)沖擊干燥）、過(guò)熱水蒸氣干燥、遠(yuǎn)紅外輻射干燥以及微波干燥等。每種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，均有應(yīng)用，這主要取決于各自工藝參數(shù)的設(shè)定以及溶劑殘余量的控制要求。

1.熱風(fēng)干燥

常規(guī)熱風(fēng)干燥方法是最早被廣泛采用的方法，設(shè)備簡(jiǎn)單操作易行，熱風(fēng)干燥中熱量來(lái)源于電能或者蒸汽熱能。鋰電池極片漿料中活性材料粒度均為納米級(jí)，干燥時(shí)顆粒孔道表征直徑約為幾十納米，具有毛細(xì)多孔介質(zhì)特性。因此涂布漿料干燥時(shí)，溶劑的脫除方式對(duì)電極活性材料的均勻分布影響較大。

極片干燥過(guò)程

一般采用雙面送風(fēng)漂浮干燥對(duì)片材進(jìn)行雙面干燥，干燥效率較高，干燥效果優(yōu)異，但送風(fēng)風(fēng)機(jī)功耗較大，送風(fēng)均勻化控制嚴(yán)格，否則造成涂布厚度均勻度較差，且增大了箔材走帶的難度，易發(fā)生斷帶而造成停機(jī)。在此基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)的循環(huán)熱風(fēng)沖擊干燥工作效率較高。此方法將熱風(fēng)高速噴射到涂布漿料表面，削弱了涂布表面的不均勻性，提升了涂布層厚度一致性。實(shí)際中通過(guò)分段調(diào)整風(fēng)量大小和風(fēng)溫來(lái)調(diào)節(jié)干燥工藝過(guò)程，這種設(shè)備投資大，維護(hù)復(fù)雜。

2.紅外干燥

與熱風(fēng)干燥不同，紅外干燥可以去除極片涂層中毛細(xì)管水分和表面殘余水分，特別適用于厚度較大的高能量電極涂層。紅外輻射干燥主要是運(yùn)用紅外線將溶劑蒸發(fā)，干燥過(guò)程操作簡(jiǎn)單，熱量集中，干燥速度快。

通常將其與對(duì)流干燥結(jié)合，形成混合干燥系統(tǒng)。由于涂層厚度的差異，紅外干燥溫度的不均勻性始終沒(méi)有得到徹底解決，對(duì)于非水系溶劑的漿料干燥效率不足。

3.微波干燥

微波干燥技術(shù)是通過(guò)微波介電加熱促使極片中水分脫除。微波為體積加熱，干燥時(shí)極片內(nèi)部自由水首先氣化，形成較高蒸發(fā)壓力梯度，加速內(nèi)部水分遷移。微波混合干燥可以極大提高干燥效率，干燥時(shí)對(duì)涂層的破壞較小，但易造成極片鼓包、炸片等。

微波干燥設(shè)備

實(shí)際中各電池生產(chǎn)廠家往往不單獨(dú)使用某種干燥方法，而是在熱風(fēng)干燥基礎(chǔ)上結(jié)合紅外、微波等干燥技術(shù)，提升干燥效率。紅外干燥雖然能彌補(bǔ)微波輔助技術(shù)的不足，但紅外線均勻性較差，造成極片干燥速率不一致，降低了電芯的容量一致性。

干燥工藝參數(shù)與極片缺陷

當(dāng)前主要的干燥方法依然是熱風(fēng)干燥，干燥時(shí)熱風(fēng)風(fēng)速、風(fēng)溫、涂層厚度、漿料特性以及干燥設(shè)備結(jié)構(gòu)均有影響。良好的干燥過(guò)程保證了漿料流體均勻涂覆，提高動(dòng)力電池的一致性，可以保證活性材料的良好分散性，并形成電解液通道，增大活性材料充放電倍率。干燥不良，可能引起涂布層出現(xiàn)團(tuán)聚、針孔、薄厚不均、劃痕、拖尾等各種缺陷。干燥過(guò)程操作不當(dāng)將直接導(dǎo)致動(dòng)力電池的性能下降，各批次極片一致性變差，嚴(yán)重影響配組工藝段成品率以及模組的循環(huán)壽命。涂布層整體干燥時(shí)間較短，主要考慮熱風(fēng)溫度、風(fēng)速及漿料固含量（溶劑含量）影響。

1.熱風(fēng)溫度

在初始階段對(duì)于不同的溶劑所要使用的溫度不同，如水系溶劑低溫下不易干燥，溫度較低，則恒速段維持時(shí)間較長(zhǎng)。一般水系漿料在熱風(fēng)溫度為90℃時(shí)，極片干燥速率較快，干燥缺陷較少。

研究發(fā)現(xiàn)干燥溫度較低時(shí)，黏結(jié)劑的分布更為均勻，集流體同活性材料的黏結(jié)更為牢固。干燥溫度較高，不僅容易出現(xiàn)黏結(jié)劑局部富集的現(xiàn)象，而且表面平整度較差，造成卷繞工序良品率降低。這是由于過(guò)高的溫度會(huì)使極片表面硬化，導(dǎo)致極片開(kāi)裂、起皺等。干燥過(guò)程中，涂層溶劑不斷蒸發(fā)，黏度迅速增大，但表層溶劑的遷移速率大于近箔材端。由于表面張力的劇烈變化，易出現(xiàn)蜂窩狀網(wǎng)絡(luò)、厚邊缺陷或黏結(jié)劑/固體顆粒的團(tuán)聚。

形成團(tuán)聚體缺陷

2.熱風(fēng)風(fēng)速

熱風(fēng)干燥時(shí)空氣流動(dòng)速度過(guò)大就會(huì)導(dǎo)致涂層的不均勻，直接影響動(dòng)力電池的性能，因此在不同階段要控制好空氣的流動(dòng)速度。一般黏度較低的漿料比黏度較高的漿料更加敏感，為了降低涂布層的流動(dòng)和破壞，需要用風(fēng)速低進(jìn)行干燥。

烘箱風(fēng)速過(guò)大，涂布層容易出現(xiàn)氣泡。這是由于涂布烘箱進(jìn)出風(fēng)道積塵較多，增大風(fēng)量（風(fēng)速）易卷起積塵，散落于濕涂層表面而產(chǎn)生大量氣泡。斑狀缺陷是形成了花紋狀斑點(diǎn)，主要由熱風(fēng)流速不穩(wěn)定引起。

極片出現(xiàn)凹坑氣泡

3.涂層厚度

涂布層的厚度主要由電池的充放電及容量特性設(shè)計(jì)參數(shù)而定。涂層較厚，容量較大但充放電倍率受限。涂層較薄，電池充放電倍率大而容量相應(yīng)受限，且涂布干燥快，涂層缺陷相對(duì)較少。

一般認(rèn)為較厚的涂布層有助于干燥應(yīng)力的釋放，涂層黏結(jié)情況較好，涂布較薄，黏結(jié)劑等非活性材料偏析較弱。通過(guò)干燥后活性材料界面分析發(fā)現(xiàn)集流體電阻主要受導(dǎo)電劑分散不均勻的影響，而涂布厚度影響并不明顯。如果涂布厚度控制不當(dāng)，則容易造成褶皺、條紋等缺陷。

極片的條紋缺陷

4.漿料特性

漿料的影響主要體現(xiàn)在溶劑的含量、種類以及活性物質(zhì)的分散特性及黏附特性。極片干燥受涂布工藝影響極大，要求涂布均布，無(wú)明顯顆粒物。

干燥時(shí)，一般前段采取部分回風(fēng)的方式降低熱風(fēng)的相對(duì)干度，避免表層溶劑過(guò)快脫除，而后段則要求溫度可以適當(dāng)提高，提升干燥效率，降低溶劑殘留。干燥前期漿料流動(dòng)性大，溶劑特性影響干燥過(guò)程，活性物質(zhì)在分散過(guò)程中出現(xiàn)顆粒重排過(guò)程。干燥后期溶劑含量低，涂布層基本失去流動(dòng)性，活性物質(zhì)的分散性以及黏結(jié)劑是影響后期干燥的主要因素。

通常黏結(jié)劑的分散性受干燥速率影響，操作不當(dāng)則團(tuán)聚明顯，這可能是由于溶劑大量蒸發(fā)帶動(dòng)黏結(jié)劑富集。

總結(jié)

極片干燥涉及多相物質(zhì)在不同尺度的傳輸，具有物理過(guò)程復(fù)雜、干燥工藝多元化特性。干燥過(guò)程中涂層黏結(jié)劑的聚集方式受干燥工藝影響較大，活性材料團(tuán)聚體形成的微孔通道在不同尺度具有不同的輸運(yùn)過(guò)程。實(shí)際中涂布漿料性能、涂布方式以及輥壓等后續(xù)制造過(guò)程需綜合考慮。有關(guān)極片干燥工藝與極片成本、品質(zhì)之間相互關(guān)系的研究尚不充分，缺少面向鋰電池生產(chǎn)專用干燥設(shè)備的詳細(xì)研究，需要持續(xù)不斷地積累涂布干燥過(guò)程數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)而優(yōu)化涂層干燥方法。

參考來(lái)源：

1. 鋰電池極片涂布熱風(fēng)干燥技術(shù)研究進(jìn)展，田清泉、王靜怡、武利娜、胡苗、劉甜、張亞雄（當(dāng)代化工）；

2. 鋰電池極片真空干燥工藝研究，高士強(qiáng)（現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備）；

3. 鋰離子電池極片涂布和干燥缺陷研究綜述，楊時(shí)峰、胥鑫、曹新龍、邵樂(lè)、田占元（電源技術(shù)）；

4. 鋰離子電池極片涂層的熱風(fēng)干燥特性，吳顯峰、李徐佳、王亞男（電池）。

粉體圈小吉

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