由于锂离子电池的安全性能要求非常高,因此,在整个生产制造过程中,对设备的稳定性、生产精度和自动化水平都要求非常高。目前,锂电设备按照电池生产制造流程,划分为前段设备(价值占40%,包括搅拌机、涂布机、辊压机、分切机、制片机、模切机等),中段设备(价值占30%,包括卷绕机、注胶机、封装设备等),后段设备(价值占30%,包括充放电机及检测设备等)。其中,涂布机是锂离子电池生产的核心设备,其价值占前段设备价值的75%,涂布工序的执行质量深刻影响着成品电池的一致性、安全性、寿命周期。
涂布机根据机械结构,可划分为放卷装置(Unrolling device)——涂布装置(Coating device)——干燥系统(Dry system)——调速机构(Speed adjustment element)——收卷装置(Rolling device)等。其中,干燥系统由若干节干燥箱构成,内部包括托辊、空气加热器、风机、空气静压室、保温箱体等组成,并通过加热通风系统控制干燥过程。
锂离子电池极片干燥经历四个动力学过程,包括预热阶段、加热阶段、恒干燥阶段以及降速阶段。
在干燥的初始阶段,热风迅速掠过涂布浆料表面,加热铜箔及浆料,促使浆料表面溶剂蒸发,并以气液两相形式通过界面扩散。涂布浆料中NMP 以及水等溶剂在恒干燥速率阶段大量蒸发,溶剂到达涂层表面并富集。干燥速率受涂层表面气相干燥界面物质扩散动力学控制。由于热风直接作用于浆料表面,涂布浆料表层溶剂完全汽化,涂布层内部浆料溶剂因毛细作用迁移至表面,不断蒸发,涂布层逐步收缩。
当湿含量达到临界状态下,极片表面出现不连续干点,此阶段为恒速干燥阶段,此时干燥速率取決于热风温度、风速、回风比以及浆料配方。
当涂布活性材料中溶剂含量较低时,极片温度整体升高并形成温度梯度,热量由表层传入涂布层内部,而溶剂不断扩散至涂布层表面,为降速干燥阶段。此阶段干燥速率受溶剂迁移速率控制,即受到半干涂布层颗粒及间隙分布方式控制。
在锂离子电池的涂布干燥过程中,烘干快慢决定了涂布的速度;烘干的质量决定了电池的性能,所以一种高效又高质的烘干技术非常重要。目前涂布机的烘烤箱以热风循环为主,存在设备运行能耗大,干燥效率底,温度控制不精确等问题,尤其是在烘干的第三、第四阶段,涂覆的浆料粘度非常大,即使是提高热风的干燥温度,生产速率依然无法提升。因此,红外-热风干燥系统,为解决上述问题提供了可能。
来源:锂电那些事