双层涂布技术.docx

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1、双层涂布技术对锂离子电池极片进行多层的微观结构设计可以提高性能，比如：(1)通过极片层级精细设计,构造“离子和电子高速通道”，减小锂离子 扩散阻力，减缓容量衰减；(2)通过调控极片多孔结构的梯度分布，实现上层高孔隙率结构，下层 高压实密度结构，完美兼顾高能量密度和超级快充双核心。为了提高这种精细结构的生产效率，同时双层涂布技术应运而生，主要配 置两种不同的浆料，通过多层涂布，提高电极的性能。以下是一些双层结 构电极具体实例：(1 )粘结剂分层结构：涂布干燥时，由于毛细管力作用，粘结剂会向表 面迁移，并且随着涂布提速和涂层厚度的增大，干燥过程中粘合剂迁移越 发严重，将进一步减弱敷料与集流体之间的

2、粘结力，对电池性能有着负面 的影响。为解决该问题，双层结构中底层浆料可以采用高配比的SBR进 行补偿。Top layerBottom layer3.7wt-%SBR3.7wt-%SBR2.5 wl-%SBR5.0 wt-%SBR0.0wt-%SBR7.5wt-%SBRConfiguratiA+A(reference)ConfigurationB1 + B2ConfigurationC1 C290110030050070090011001300Cyde no 十C15Mi239e一a MUe，NWZCJ Mrd / M SnMltoaocnA 1 r g(SlBctWE&u”op/41C1 Ur

3、r Bottom 4 - Vop/AJ lxv? BoftOT al TopC1 U” C4 SfwA groE ft 3, Tm / M Vvi* cwn，Uvf Top -CSlrr/M5mll“CS ，2 5K Mue Smab Top CS UUte / AS ur*e-OvmBQMI-Cl Ifva M SnuU Soncm UP Tcp-； MwIZAlScnaI-C? Hrd / A3 3肝 BOttom vw Top IhUed A5一4 5 bt tM & -Op / RY3 Urr MK ft Mval Tg / At XWH Bottew* & IaB Top Cl Sr

4、al ottm K LanR Top f Al SWC4 Smt kretem & IF Too/AlS，BMefV &SmlTSC VvwV cctom trg9 Too / AS UrF$ lar*e / A MtFSUeM5ma4 Murh ur*( Tcp图3活性颗粒粒径分层结构(4 )?L隙率分层结构：具有梯度孔隙率的双层结构正极极片如图4所示， 对于图4a ,上层的孔隙率大于底层。而对于图4b ,上层和底层的孔隙率 几乎没有差别。电极的特殊结构和合理的孔隙率分布有利于锂离子在厚电 极内部的迁移，从而在高电流密度下具有更好的电化学性能。电化学性能 测试表明，图4a电极具有更高的初始库

5、仑效率、优越的循环性能和更好 的倍率性能。图4孔隙率分层结构电极实现以上双层结构电极的方法之一就是双层涂布技术，一般多层涂布主要有几种技术：(1 )滑动式多层涂布Multiple Functional LayersPrimer LayerCoating Die图5滑动式多层涂布(2)帘式多层涂布图6帘式多层涂布(3 )模头挤压多层涂布图7模头挤压多层涂布锂离子电池电极一般采用第三种模头挤压多层涂布方式，均匀的涂层只能 在一定的涂布工艺窗口内获得，即针对具体的浆料体系，在一定的涂膜厚 度下存在最大可能涂布速度，涂布速度超出此值涂层不稳定；在一定的涂 布速度下存在最小涂膜厚度，厚度再小涂层不稳定。

6、 与单层涂布相比，双层涂布的工艺窗口范围更小，主要问题包括：（1 ）来自上游方向的空气卷入是涂层缺陷产生的主要原因之一；（2）上、下 层浆料相互混合导致涂层不稳定。因此，双层涂布需要优化涂布工艺参数， 研究两种浆料的粘度、表面张力等差异对涂层质量的影响。图8模头挤压双层涂布流场示意图如图9所示，理论和实验结果表明,双层涂布极限厚度高于单层涂布，即 双层涂布临界厚度更大，涂布窗口更窄。随着涂层速度的提高，极限涂层 厚度有明显的上升趋势。而计算保持恒定值，在计算中低估了涂层速度影 响因素。150125-i T一.75尸一 ii- 50-Single layerCalc.Exp. datam 0.1

7、 Calc.Exp. data25m = 0.875-Calc.Exp. datam5-Calc.Exp.data041110510152025Coating speed (mmin)图9涂布窗口，m为上下两层单位面积质量比 如图10所示，涂布工艺的稳定操作范围可能受到由模头唇口、移动基材 和上游/下游弯月界面形成的液珠的流变性和模头几何形状的影响。当涂 布液珠中的上游弯月面位于上游模唇的两端之间时，模头涂膜流可以可靠 控制。通常在相对高流量或低涂布速度的条件下，当上游弯月面位置被推 到上游模唇之外时，通常会发生到漏料现象。相反，当上游弯月面位置接 近进料口时，会发生液珠破裂和空气卷入等缺陷。

8、在这种情况下，随着进 料流量进一步降低（或基材速度增加），涂层液体和基材之间开始形成微 空气涡流。(C)I上游* I w 图10模头唇口涂布液珠形态两种浆料的进料流量比对涂布窗口的影响如图11所示，随着流量比的降 低（底层变薄），施加在上游进料区域附近的动量减小，从而导致上游弯 月面向下游移动。因此，稳定工艺窗口将向较低的涂布速度方向（向左） 移动。随着流量比的减小，进料处相对高流量的顶层动量大于底层动量， 导致中游模唇下出现流动反转，两种浆料相互混合作用。4x10 (a)3x10 52x10 , IxIOj0J S E-P-M) .uiJuo3E MOy -SOH |20如60300246

9、K 10Web speed (mmin)此外，两种浆料的粘度特性，表面张力及其比值等都会影响涂层质量。如 图12所示，当上、下层粘度比相对较高时，底部液体倾向于向上游移动， 即使在较高的涂布速度下也发生漏料现象。随着黏度比的减小,均匀涂布 区域逐渐向窗口左侧移动并略有增大。1 oo. (SbUJWOL) Ss .oct5olWeb speed (m)0.120 180 240 30Web speed (ms)0 00 060 12 O 18O SEVO-)S2。1m=3.7/ UnrtbrmWeb speed (m)图12两种浆料粘度比对涂布窗口的影响目前针对锂离子电池极片的双层涂布研究和分析还比较少。总之，双层涂 布工艺需要更好地控制浆料性质、涂布工艺范围，才能实现均匀稳定的涂 层。