在鋰(li)電池工業(ye)生(sheng)產上，模頭擠(ji)壓涂布由于(yu)高(gao)精度、寬涂布窗口、高(gao)可靠性等優點成為應用最廣泛的涂布方式。如圖1所示(shi)，漿料(liao)由精確的(de)進料(liao)系統(tong)（如(ru)螺桿泵(beng)）提供，進入(ru)模(mo)頭內部型腔，在(zai)涂(tu)層(ceng)寬(kuan)度方向均勻(yun)分布，最(zui)后漿料(liao)受(shou)擠壓通過模(mo)頭狹縫，在(zai)移動(dong)的(de)基材上形成(cheng)涂(tu)層(ceng)。由于漿料(liao)流體(ti)特性，在(zai)涂(tu)層(ceng)起始(shi)點、終止點以及(ji)兩側邊緣容(rong)易形成(cheng)如(ru)圖(tu)1中所(suo)示半(ban)月形特(te)征。涂(tu)布(bu)工(gong)藝中，極片邊(bian)緣出現的(de)這種(zhong)厚(hou)度突增的(de)形貌(mao)被(bei)稱為“厚邊”現象。
圖(tu)1 擠壓涂布示意圖
根(gen)據電池的(de)(de)結(jie)構設(she)計和對應的(de)(de)工(gong)藝(yi)設(she)計，鋰電池極(ji)片涂布(bu)(bu)工(gong)藝(yi)可分為(wei)連續涂布(bu)(bu)和間歇涂布(bu)(bu)，如圖2所示，連(lian)續涂布中，對電(dian)池性能(neng)(neng)和工藝(yi)有(you)影響(xiang)的(de)厚(hou)(hou)邊(bian)(bian)問(wen)題(ti)(ti)主要在涂層(ceng)兩側邊(bian)(bian)緣，而對于間隙涂布，除了兩側邊(bian)(bian)緣，涂層(ceng)的(de)起始和結束邊(bian)(bian)緣（頭尾(wei)）同(tong)樣可能(neng)(neng)存在這種(zhong)厚(hou)(hou)邊(bian)(bian)情況。這種(zhong)厚(hou)(hou)邊(bian)(bian)現象是不期(qi)望出現的(de)，并會對電(dian)池的(de)工藝(yi)過程和電(dian)池性能(neng)(neng)和一致性產生問(wen)題(ti)(ti)。
圖(tu)2 連續涂布和(he)間歇涂布方(fang)式結構示(shi)意圖
厚邊現象的(de)危害
不管是連(lian)續(xu)涂布還是間(jian)歇涂布（如圖2所示(shi)），這(zhe)種半月形(xing)形(xing)貌特(te)征都會(hui)嚴重(zhong)影響(xiang)涂(tu)層(ceng)(ceng)的均勻性。一般地，涂(tu)層(ceng)(ceng)邊(bian)緣厚度比正(zheng)常(chang)區域厚幾微米(mi)至十幾微米(mi)，在(zai)涂(tu)布干燥(zao)后收(shou)卷(juan)時，成(cheng)百(bai)上千(qian)層(ceng)(ceng)極(ji)片收(shou)成(cheng)一卷(juan)，涂(tu)層(ceng)(ceng)側面邊(bian)緣厚度凸起(qi)線(xian)累積成(cheng)幾毫(hao)米(mi)，導致極(ji)卷(juan)產生鼓邊(bian)現象，嚴重(zhong)時會(hui)造成(cheng)極(ji)片斷裂，這(zhe)嚴重(zhong)影響(xiang)涂(tu)布收(shou)卷(juan)整齊(qi)度及其(qi)后續(xu)工序。
這種厚邊情況(kuang)也會影響極片(pian)(pian)的(de)(de)(de)輥(gun)壓(ya)工藝，由(you)于邊緣(yuan)(yuan)厚度較中間部位大(da)幾(ji)微(wei)米或十幾(ji)微(wei)米，輥(gun)壓(ya)軋輥(gun)壓(ya)力作用在極片(pian)(pian)上(shang)時，邊緣(yuan)(yuan)厚度大(da)的(de)(de)(de)區域承(cheng)受更大(da)的(de)(de)(de)軋制力，從而導致極片(pian)(pian)輥(gun)壓(ya)壓(ya)實橫向密度不(bu)一(yi)致，一(yi)方面這會造成(cheng)輥(gun)壓(ya)之(zhi)后的(de)(de)(de)極片(pian)(pian)翹曲度更大(da)形成(cheng)蛇形極片(pian)(pian)，在后續的(de)(de)(de)分(fen)條或模切(qie)、卷繞等工藝過程中，極片(pian)(pian)張力分(fen)布(bu)不(bu)均(jun)衡，極片(pian)(pian)收放卷對齊(qi)度無法保證，這也會影響極片(pian)(pian)加(jia)工尺寸(cun)，容易出現(xian)不(bu)良品。
厚(hou)邊(bian)現(xian)象造(zao)成的極(ji)片厚(hou)度、壓實密(mi)度不均勻(yun)同樣對電(dian)(dian)池(chi)性能有影響，在充放電(dian)(dian)過程中，可能出現(xian)電(dian)(dian)流分布不均勻(yun)，更(geng)容易形成極(ji)化。因此，電(dian)(dian)池(chi)極(ji)片在充放電(dian)(dian)膨脹、收縮過程中受力也不一致，厚(hou)邊(bian)緣更(geng)容易失(shi)效。
一般地(di)，3C電(dian)池工藝設計(ji)時，切除極片邊(bian)(bian)緣來消除這種厚邊(bian)(bian)的不利影響。而(er)動力電(dian)池要求高(gao)功(gong)率和高(gao)能量，電(dian)池設計(ji)往往需要保(bao)留(liu)涂層邊(bian)(bian)緣，因此，厚邊(bian)(bian)現象更受關(guan)注，Marcel Schmitt等人就研究了涂(tu)布(bu)工(gong)藝參(can)數對連續涂(tu)布(bu)兩側厚(hou)邊的影響，期(qi)望理(li)解和認識產生這種(zhong)情況的原因。
厚邊現象的定量描述
圖3 涂層(ceng)邊緣厚度突增典型形貌圖
為了分析涂層(ceng)(ceng)的(de)邊緣效(xiao)應，作者(zhe)引入(ru)一些特征參數來定量(liang)表征涂層(ceng)(ceng)的(de)厚邊現象。如圖3所示，這是涂(tu)層(ceng)邊緣厚(hou)度突增典型形(xing)貌(mao)圖，涂(tu)層(ceng)中(zhong)間厚(hou)度為H（圖3中(zhong)H=100μm），而涂層凸(tu)起點(dian)的厚度為HEdge，無量綱厚度H*定義為式（1）：
(1)
理想(xiang)情(qing)況下，H*等(deng)于1，極片(pian)涂層邊緣(yuan)沒有厚邊情況產(chan)生。
公式（2）定義涂層厚邊(bian)緣的無量綱(gang)寬度：
(2)
其中，B*為厚邊緣的無量綱(gang)寬度，BEdge 為厚(hou)度(du)(du)凸(tu)起的(de)涂層(ceng)寬度(du)(du)，測量涂層(ceng)的(de)厚(hou)度(du)(du)，厚(hou)度(du)(du)值第一次檢測到為H的(de)105%時(shi)的(de)位置定義為BEdge 的起點(dian)，繼續橫向測量厚度再(zai)變為(wei)H時位置(zhi)定義為BEdge的終點，如圖3所示，一般鋰電池(chi)涂布(bu)中(zhong)H*甚至能達到10以(yi)上(shang)。而厚邊(bian)涂(tu)層的梯度R*定(ding)義為式（3）：:
（3）
其中(zhong)，BStep的終點位置為第一次檢測極片厚度(du)為集流(liu)體厚度(du)的105%的位置。
以上三(san)個無(wu)量(liang)綱參數用(yong)來(lai)定量(liang)描述極片(pian)涂層(ceng)厚邊緣的厚度、寬度和梯(ti)度特(te)征。
厚邊(bian)現象(xiang)的影響因素(su)
影(ying)響極(ji)片(pian)涂層(ceng)厚(hou)邊現象產生的因素主要有幾個方面(mian)：（1）涂(tu)布模(mo)(mo)頭(tou)(tou)的幾(ji)何特征及(ji)涂(tu)布工藝參數(shu)，模(mo)(mo)頭(tou)(tou)擠壓涂(tu)布流場示(shi)意圖(tu)如(ru)圖(tu)4所(suo)示，模頭幾何(he)參數和涂(tu)布工藝參數包括狹縫尺寸S、模頭出口漿(jiang)料流量q、模頭(tou)與涂輥(gun)間隙尺寸G、涂布速度U、涂層濕厚H等；（2）漿料的性(xing)質，特別是漿料表面張力。
圖4 模頭擠(ji)壓(ya)涂布外流場二(er)維(wei)截面示意(yi)圖
（1）涂布速(su)度的(de)影響
Marcel Schmitt等人鋰離子(zi)電(dian)池負極(ji)漿料涂(tu)布工藝(yi)實驗(yan)研究發現(xian)，涂(tu)布速度對(dui)厚邊的無量綱厚度和寬度幾乎沒有影響，而會影響厚邊的梯(ti)度特征R*，當涂布速度增加時，R*相應(ying)增加，即厚邊緣厚度變化更尖銳，如圖5所示。
圖5 涂(tu)布速度與厚邊(bian)梯度的關系(xi)
（2）涂布間(jian)隙的影(ying)響
1986年，Dobroth等人(ren)總結了厚(hou)邊涂(tu)層厚(hou)度與涂(tu)布工藝的經驗公式（4）：
（4）
其中，D為漿料拖(tuo)曳(ye)力比值，定義(yi)為涂(tu)布速度U與漿料在出口的平均速度USlurry比值，具體可(ke)由式（5）計算：
（5）
式中(zhong)，q為漿料(liao)體(ti)積(ji)流量(liang)，H為涂層濕厚，G為涂布間(jian)隙。因此，厚(hou)邊(bian)涂層厚(hou)度與無量綱涂布間(jian)隙G*相關。
圖6為(wei)無量綱涂布間隙(xi)G*與厚邊無量綱厚度H*的(de)實驗(yan)數(shu)據圖和(he)公式預測關系，根(gen)據經驗(yan)公式，涂布間隙(xi)增加(jia)(jia)時厚邊厚度(du)相(xiang)應增加(jia)(jia)，但是(shi)從實驗(yan)數(shu)據來看相(xiang)關性(xing)不(bu)是(shi)特(te)別大(da)。而隨(sui)著涂布間隙(xi)增加(jia)(jia)，厚邊涂層的(de)寬度(du)增加(jia)(jia)，如(ru)圖7所示(shi)。因此，減(jian)低涂布間隙是抑制厚邊現(xian)象(xiang)的一(yi)個有效措施。
圖6 涂布間隙與(yu)厚(hou)邊厚(hou)度(du)的關系(xi)
圖(tu)7 涂布間隙與厚邊寬度的關系
（3）表面(mian)張力的影(ying)響
另(ling)外，漿料(liao)性(xing)質對厚邊也具有巨大影響，一(yi)方面從模頭擠壓噴出時，粘彈(dan)性漿料流體(ti)會發(fa)生膨脹，由于受到模頭邊緣壁面(mian)的額外應力作用(yong)，邊緣處漿料膨脹效應更明顯，從而導致厚邊現象(xiang)產生。另外，漿料的表面(mian)張力作用(yong)下，涂層在干燥過程中發(fa)生流延也(ye)會造成厚邊現象(xiang)。如圖(tu)8所(suo)示，涂層(ceng)干燥時，各(ge)處干燥速度相同，而邊(bian)緣(yuan)處溶劑(ji)蒸發更快(kuai)些，因(yin)此(ci)邊(bian)緣(yuan)成分變(bian)化更快(kuai)時，如果漿料里(li)面(mian)沒有(you)界面(mian)活性劑(ji)等添(tian)加劑(ji)，或(huo)者分散的(de)顆粒懸浮液表面(mian)張力大于溶劑(ji)的(de)表面(mian)張力時，漿料向邊(bian)緣(yuan)流(liu)動(dong)，最終(zhong)導致厚(hou)邊(bian)現象。
圖8 干燥過程(cheng)中厚邊現象產(chan)生過程(cheng)
厚邊現象(xiang)的解決措施
涂布厚(hou)邊現象是(shi)一(yi)種不利(li)的缺陷，根據以上實驗結果和分(fen)析(xi)，阻止(zhi)和緩解厚(hou)邊現象的措施(shi)有：
（1）漿(jiang)(jiang)料(liao)(liao)流(liu)量一定時，減小狹縫(feng)尺(chi)寸(cun)能(neng)夠增加漿(jiang)(jiang)料(liao)(liao)在模頭(tou)的出(chu)口速度(du)，從而降低(di)漿(jiang)(jiang)料(liao)(liao)的拖曳力比值(zhi)D，進而減(jian)小厚邊涂層的(de)無量綱厚度H*，但是狹縫(feng)尺寸變(bian)小模頭內部的(de)壓(ya)力更(geng)大，更(geng)容易造(zao)成模頭出口形狀的(de)膨脹，從(cong)而出現涂層橫向厚(hou)度(du)不均(jun)勻性，這(zhe)需要(yao)更(geng)高精度(du)的(de)涂布設備配(pei)合。
（2）涂(tu)布(bu)間隙G減小能夠有限減小厚邊涂層(ceng)的厚度(du)和寬度(du)。
（3）降低漿(jiang)料的表面張力(li)，如添加界(jie)面活性劑(ji)、降低粘度(du)等，抑制干燥過程中漿(jiang)料向邊緣的流延。
（4）優(you)化(hua)狹縫墊片出口形狀，改變漿(jiang)料(liao)流動(dong)速度方向和大(da)小(xiao)，降(jiang)低邊(bian)緣漿(jiang)料(liao)的應(ying)(ying)力狀態，減弱漿(jiang)料(liao)邊(bian)緣膨脹效應(ying)(ying)。
