在鋰電池(chi)工業生產上，模頭擠壓涂布(bu)(bu)由于高精度、寬(kuan)涂布(bu)(bu)窗(chuang)口、高可靠(kao)性(xing)等優點成為(wei)應用最廣泛的(de)涂布(bu)(bu)方式。如圖1所示，漿料(liao)(liao)由(you)精(jing)確(que)的進(jin)(jin)料(liao)(liao)系統（如(ru)螺桿(gan)泵）提供，進(jin)(jin)入(ru)模(mo)頭內(nei)部型腔，在(zai)涂(tu)層(ceng)(ceng)寬度方(fang)向(xiang)均(jun)勻分布，最后漿料(liao)(liao)受擠壓通(tong)過模(mo)頭狹縫，在(zai)移動的基材(cai)上形成涂(tu)層(ceng)(ceng)。由(you)于漿料(liao)(liao)流(liu)體特性(xing)，在(zai)涂(tu)層(ceng)(ceng)起始點、終止點以及兩側邊(bian)緣(yuan)容易形成如(ru)圖1中(zhong)所(suo)示(shi)半月形特(te)征(zheng)。涂布(bu)工藝(yi)中(zhong)，極片邊緣出現的這種厚度突增的形貌被稱為“厚(hou)邊”現象。
圖1 擠壓涂布示意圖
根據電池(chi)的結(jie)構設(she)計和對應的工藝(yi)設(she)計，鋰(li)電池(chi)極片(pian)涂(tu)布(bu)工藝(yi)可分為連續涂(tu)布(bu)和間歇涂(tu)布(bu)，如圖(tu)2所示，連續涂布中，對(dui)電(dian)池性能(neng)和(he)工藝有影響的厚邊(bian)問題主要(yao)在涂層(ceng)兩(liang)側邊(bian)緣，而對(dui)于間隙涂布，除了(le)兩(liang)側邊(bian)緣，涂層(ceng)的起(qi)始(shi)和(he)結束邊(bian)緣（頭(tou)尾）同樣可能(neng)存在這種厚邊(bian)情況。這種厚邊(bian)現象是不期望出現的，并(bing)會(hui)對(dui)電(dian)池的工藝過程和(he)電(dian)池性能(neng)和(he)一(yi)致性產生問題。
圖2 連續涂(tu)布和(he)間(jian)歇涂(tu)布方式結構示(shi)意圖
厚邊(bian)現象的危害
不管(guan)是連續涂布還(huan)是間歇涂布（如圖2所示），這(zhe)(zhe)種半月(yue)形形貌特征都會嚴(yan)重影響涂層(ceng)的均(jun)勻性(xing)。一般地，涂層(ceng)邊(bian)(bian)緣(yuan)厚(hou)度比正常區域厚(hou)幾(ji)(ji)微(wei)米至(zhi)十幾(ji)(ji)微(wei)米，在涂布干燥后(hou)收卷時，成(cheng)(cheng)百(bai)上千層(ceng)極(ji)片收成(cheng)(cheng)一卷，涂層(ceng)側面邊(bian)(bian)緣(yuan)厚(hou)度凸起線累積成(cheng)(cheng)幾(ji)(ji)毫米，導(dao)致(zhi)極(ji)卷產生鼓(gu)邊(bian)(bian)現象，嚴(yan)重時會造成(cheng)(cheng)極(ji)片斷裂，這(zhe)(zhe)嚴(yan)重影響涂布收卷整齊度及其后(hou)續工序(xu)。
這種厚(hou)邊情況也會影(ying)(ying)響極(ji)(ji)片(pian)(pian)的輥壓(ya)(ya)工(gong)藝，由于(yu)邊緣厚(hou)度較中(zhong)間(jian)部(bu)位大(da)(da)幾微米或(huo)十幾微米，輥壓(ya)(ya)軋(ya)輥壓(ya)(ya)力作用在(zai)極(ji)(ji)片(pian)(pian)上時(shi)，邊緣厚(hou)度大(da)(da)的區(qu)域承受更大(da)(da)的軋(ya)制力，從而(er)導(dao)致極(ji)(ji)片(pian)(pian)輥壓(ya)(ya)壓(ya)(ya)實(shi)橫向密度不一致，一方面(mian)這會造成輥壓(ya)(ya)之后的極(ji)(ji)片(pian)(pian)翹(qiao)曲度更大(da)(da)形成蛇形極(ji)(ji)片(pian)(pian)，在(zai)后續的分(fen)條或(huo)模切、卷繞等工(gong)藝過程中(zhong)，極(ji)(ji)片(pian)(pian)張力分(fen)布(bu)不均衡，極(ji)(ji)片(pian)(pian)收放卷對齊(qi)度無法(fa)保(bao)證，這也會影(ying)(ying)響極(ji)(ji)片(pian)(pian)加(jia)工(gong)尺寸，容(rong)易(yi)出現(xian)不良品。
厚邊(bian)(bian)現(xian)象造成的極(ji)片厚度(du)、壓實密度(du)不均勻(yun)同樣對電池性能有影(ying)響，在(zai)充放電過程(cheng)中，可能出(chu)現(xian)電流分布不均勻(yun)，更容易形成極(ji)化。因此，電池極(ji)片在(zai)充放電膨脹(zhang)、收縮過程(cheng)中受(shou)力也(ye)不一致(zhi)，厚邊(bian)(bian)緣更容易失效。
一般地(di)，3C電(dian)池工(gong)藝(yi)設計(ji)時，切除極片邊緣來消除這種厚(hou)邊的不(bu)利影響。而動力電(dian)池要求高功率和高能量，電(dian)池設計(ji)往(wang)往(wang)需要保留涂層(ceng)邊緣，因此，厚(hou)邊現象更受關(guan)注，Marcel Schmitt等人就(jiu)研究了涂(tu)布工藝(yi)參數(shu)對連續涂(tu)布兩側厚邊(bian)的影響(xiang)，期望理解和認識產生(sheng)這種情(qing)況的原因。
厚邊現象(xiang)的定量描(miao)述
圖3 涂(tu)層邊(bian)緣厚(hou)度(du)突增(zeng)典型(xing)形貌圖
為了分析涂層的(de)邊緣效(xiao)應，作(zuo)者引入一些特征(zheng)參數來定量表征(zheng)涂層的(de)厚(hou)邊現象(xiang)。如(ru)圖3所(suo)示，這是(shi)涂(tu)層邊緣厚(hou)度突增典型形貌圖，涂(tu)層中間厚(hou)度為(wei)H（圖3中(zhong)H=100μm），而涂層凸起(qi)點(dian)的厚度為(wei)HEdge，無量綱厚度(du)H*定義為式（1）：
(1)
理想情況下(xia)，H*等于1，極(ji)片涂層邊緣(yuan)沒有(you)厚(hou)邊情況產生(sheng)。
公式(shi)（2）定義涂層厚邊緣的(de)無量綱(gang)寬度：
(2)
其中，B*為厚邊緣(yuan)的無量綱寬度，BEdge 為厚(hou)(hou)(hou)度凸(tu)起(qi)的涂層寬度，測(ce)量涂層的厚(hou)(hou)(hou)度，厚(hou)(hou)(hou)度值第一次檢測(ce)到為H的(de)105%時的位置定(ding)義為BEdge 的起點，繼續(xu)橫向測量厚度再變為(wei)H時位(wei)置定義為(wei)BEdge的(de)終點，如(ru)圖3所(suo)示，一般鋰(li)電池涂(tu)布中H*甚(shen)至能達到10以上。而厚邊涂層的梯度R*定義為(wei)式（3）：:
（3）
其中，BStep的終點(dian)位(wei)置為第一次檢(jian)測(ce)極(ji)片厚(hou)度(du)為集流體厚(hou)度(du)的105%的(de)位置。
以(yi)上三個(ge)無量(liang)綱參數(shu)用來定量(liang)描述(shu)極片涂層厚(hou)邊緣的(de)厚(hou)度(du)(du)、寬度(du)(du)和梯度(du)(du)特征(zheng)。
厚邊現象的影(ying)響因(yin)素
影響極片(pian)涂層厚邊(bian)現象產生的因素主要有幾個方(fang)面：（1）涂(tu)布(bu)模頭(tou)(tou)的幾(ji)何特征及涂(tu)布(bu)工藝參(can)數，模頭(tou)(tou)擠壓涂(tu)布(bu)流場(chang)示意圖如圖4所示，模頭幾何(he)參數(shu)和涂布(bu)工藝參數(shu)包括(kuo)狹縫尺(chi)寸(cun)S、模(mo)頭出口漿料流量q、模頭與涂輥間隙尺(chi)寸G、涂(tu)布速度(du)U、涂層濕厚H等；（2）漿(jiang)料(liao)的(de)性質，特別是漿(jiang)料(liao)表面張力。
圖4 模(mo)頭擠壓涂布外流場二維截(jie)面示(shi)意圖
（1）涂(tu)布速(su)度的(de)影(ying)響
Marcel Schmitt等人鋰離(li)子電(dian)池負極漿料涂布(bu)工藝(yi)實驗研究(jiu)發現，涂布(bu)速度對厚(hou)邊的(de)(de)無(wu)量綱厚(hou)度和寬度幾(ji)乎沒(mei)有影響，而(er)會(hui)影響厚(hou)邊的(de)(de)梯(ti)度特征R*，當涂布速度增加時，R*相應增加，即(ji)厚(hou)邊緣(yuan)厚(hou)度變化更尖(jian)銳，如圖5所示。
圖(tu)5 涂布速度與厚(hou)邊梯度的(de)關系
（2）涂布間(jian)隙的(de)影響
1986年，Dobroth等人總結了(le)厚(hou)邊涂層厚(hou)度與涂布(bu)工(gong)藝的經驗公式（4）：
（4）
其中，D為(wei)(wei)漿料拖曳力比值，定義(yi)為(wei)(wei)涂(tu)布速(su)度(du)U與漿料在出口的(de)平均速度USlurry比(bi)值，具體可由式（5）計算(suan)：
（5）
式(shi)中，q為漿(jiang)料體積流量，H為(wei)涂層濕(shi)厚(hou)，G為(wei)涂布間隙。因此(ci)，厚邊涂層(ceng)厚度與無量綱(gang)涂布間隙G*相關。
圖6為無量綱涂布間(jian)隙G*與厚邊(bian)無量綱厚度H*的(de)實驗數(shu)據(ju)圖(tu)和公式預測關(guan)系，根據(ju)經驗公式，涂(tu)布間隙(xi)增加(jia)(jia)時(shi)厚邊厚度相(xiang)應增加(jia)(jia)，但是從(cong)實驗數(shu)據(ju)來看相(xiang)關(guan)性(xing)不是特別(bie)大(da)。而(er)隨著(zhu)涂(tu)布間隙(xi)增加(jia)(jia)，厚邊涂(tu)層(ceng)的(de)寬(kuan)度增加(jia)(jia)，如圖(tu)7所示。因此，減低涂布間隙是抑制厚(hou)邊現(xian)象的一個有效措施(shi)。
圖6 涂布間隙與厚邊厚度(du)的(de)關系
圖7 涂(tu)布(bu)間隙與(yu)厚邊寬(kuan)度的關系(xi)
（3）表面張力的影響
另(ling)外，漿料性(xing)質(zhi)對厚邊也具有巨(ju)大影響，一(yi)方面(mian)從模頭擠壓(ya)噴出時(shi)，粘(zhan)彈性漿(jiang)料(liao)流體(ti)會(hui)發生(sheng)膨(peng)脹，由于(yu)受到模頭邊(bian)緣壁面(mian)的(de)額(e)外應力作用(yong)，邊(bian)緣處(chu)漿(jiang)料(liao)膨(peng)脹效(xiao)應更明顯，從(cong)而導致厚邊(bian)現象(xiang)產生(sheng)。另外，漿(jiang)料(liao)的(de)表(biao)面(mian)張力作用(yong)下，涂層在干(gan)燥過(guo)程中發生(sheng)流延也(ye)會(hui)造成厚邊(bian)現象(xiang)。如圖(tu)8所示，涂(tu)層干燥時(shi)，各處干燥速度相同，而邊緣處溶劑(ji)蒸發更快些，因此邊緣成(cheng)分變化(hua)更快時(shi)，如果(guo)漿(jiang)料里面(mian)(mian)(mian)沒有界面(mian)(mian)(mian)活性劑(ji)等添加劑(ji)，或(huo)者分散的顆粒(li)懸浮液表(biao)面(mian)(mian)(mian)張(zhang)力大于溶劑(ji)的表(biao)面(mian)(mian)(mian)張(zhang)力時(shi)，漿(jiang)料向邊緣流(liu)動(dong)，最終導致厚邊現象。
圖8 干燥過(guo)程(cheng)中厚邊現象(xiang)產生過(guo)程(cheng)
厚邊現象的解決措施
涂布(bu)厚(hou)邊現象是一種不(bu)利的缺(que)陷(xian)，根(gen)據以(yi)上實(shi)驗結果和分析(xi)，阻止和緩解厚(hou)邊現象的措施有：
（1）漿料流量一定時，減小狹縫尺(chi)寸能夠增加漿料在模頭的出口(kou)速度，從而(er)降低漿料的拖曳力比值D，進而減小厚邊涂層(ceng)的無量綱厚度(du)H*，但是狹縫尺寸變(bian)小模頭(tou)(tou)內部(bu)的壓力更(geng)大，更(geng)容易造成模頭(tou)(tou)出(chu)口形狀的膨(peng)脹，從而出(chu)現涂層橫(heng)向厚度不均勻性，這需要更(geng)高精度的涂布設備配合(he)。
（2）涂布間隙G減小能夠有限減小厚邊涂層的厚度和寬度。
（3）降低漿料(liao)的(de)表面(mian)張力，如添加界面(mian)活性劑、降低粘(zhan)度等(deng)，抑制(zhi)干燥過程中漿料(liao)向(xiang)邊緣的(de)流延。
（4）優化狹縫(feng)墊(dian)片出口(kou)形狀，改變漿料(liao)(liao)流動速度方向和大小，降低邊緣(yuan)漿料(liao)(liao)的應(ying)力狀態，減(jian)弱漿料(liao)(liao)邊緣(yuan)膨脹效應(ying)。
