刘平文，韩良
（东南大学机械工程学院，南京211189）
摘要：针对现阶段动力锂电池极片挤压式涂布没有成熟系统的问题，研究开发出一款稳定可靠的动力锂电池极片挤压式涂布系统。借鉴已有的相关研究成果，提出新型的挤压模头型腔设计方法，并设计出衣架型挤压模头型腔。结合转移式涂布系统，完成了供料装置、机头涂布装置、收放卷装置、烘干装置等结构的设计，并完成了控制系统的设计，然后搭建出整个系统，最后使用该系统进行实验，对实验样品进行取样分析，结果显示该系统是可行的。这一研究为动力锂电池极片挤压涂布技术的自主开发提供一定的理论支持。 关键词：锂电池极片；挤压模头；供料装置；涂布实验
中图分类号:TM912.6文献标志码:A文章编号：员园园圆原圆猿猿猿（圆园员8）09原园042原园3 Design and Experimental Study on the Extrusion Coating System of the Power Lithium Battery Pole Piece
LIU Pingwen，HAN Liang
（School of Mechanical Engineering,Southeast University,Nanjing211189,China）
Abstract:In view of the problem that the current lithium battery pole piece extrusion coating has no mature system,a stable and reliable power lithium battery pole piece extrusion coating system is researched and developed.Based on the existing research results,a new extrusion die cavity design method is proposed,and a hanger-type extrusion die cavity is designed.Combined with the transfer coating system,the design of the feeding device,the head coating device,the unwinding/rewinding device and the drying device are completed.The design of the control system is completed,and then the entire system is built.Experiments are carried out using this system,and the experimental samples are sampled and analyzed,and the results show that the system is feasible.This research provides theoretical support for the independent development of power lithium battery pole piece extrusion coating technology.
Keywords:lithium battery pole piece;extrusion die;feeding device;coating experiment
0引言
锂离子电池具有电压高、体积小、质量轻、比能量高、无记忆效应、无污染、自放电小、使用寿命长等突出优点[1-2]。动力锂电池生产工艺流程第二步为涂布，涂布的质量、精度以及稳定性是保证动力锂离子电池电极质量及可靠性的基础。对于汽车动力锂电池，需要具有循环寿命长、在不同放电深度
下比容量高、对电池一致性及安全性要求高等特点[3-4]。电极及电解质的一致性决定了电化学的稳定、可逆以及锂离子脱嵌运动反应，并直接影响电池的最终寿命极限。锂电池制造工艺取决于电池化学、应用以及生产需求等因素，电极制造可以采用裱糊、滚涂、印刷、基带传送涂布等加工方法[5-10]。
目前市场上主要采用基带传送涂布方法应用于动力锂离子电池极片的商业化生产中，如刮刀与辊子组合的转移式涂布和利用特制挤压模头的挤压式涂布等。挤压式涂布方法直接将浆料涂覆于基带上，不仅可以保护浆料不受环境污染而且能适应不同的浆料黏度范围、固含量、溶剂系统，比传统的转移式涂布具有更强的适应性。另外，挤压式涂布在提高浆料利用率、保持电池电极的一致性以及改善锂电池生产水平、降低成本等方面更具优势，有利于增强企业的竞争力[11]。因此，研究动力锂电池极片挤压式涂布系统具有重大意义。 1动力锂电池极片挤压式涂布系统搭建
动力锂电池极片挤压式涂布系统由放卷装置、供料装置、机头涂
光伏组件检测布装置、烘干
装置、纠偏装
置、收卷装置
等部分组成
根据挤压式涂
布自身的特点
完成机头涂布
装置和供料装
置的设计。
1.1机头涂
咖啡玉米布装置
机头涂布
装置主要由挤
网眼面料
压模头和挤压
模头定位及支
基金项目：国家自然科学基金（51275087）；江苏省科技计划（SBE2015000030）；中央高校基本科研业务费专项
资金和江苏省普通高校研究生科研创新计划
（KYLX160187）
图1挤压式涂布机头三维装配图支座2.支撑板3.挤压模头定位机构伺服电动机5.减速器6.联轴器
速器安装座8.背辊9.挤压模头10.动平台11.气缸12.料斗13.可调式托辊安装座14.托辊15.连接杆
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架系统组成，这两部分是保证涂布质量的关键因素，其设计的要点就是要确保挤压模头浆料出口处速度与压强分布均匀，挤压模头定位及支架系统位置准确、可多次重复归位以及涂布嘴与基材接触的切入角控制准确。挤压式涂布机头三维装配图如图1所示。
挤压模头定位与支架系统原理：将挤压模头固定在移动平台，并保证涂布嘴条缝间隙中心位置与背辊轴在同一水平面上，移动平台主要由导轨滑块组合件和移动支撑板组成，在涂布时通过气缸的作用使挤压模头与背辊靠近，并通过挤压模头定位机构使涂布嘴与包裹在背辊面上的基带之间的间隙为涂布湿厚度2倍左右。基带长距离传送的支撑和变向依靠可调节托辊机构来完成，通过这套定位与支架系统可实现挤压模头准确、稳定涂布。
挤压模型型腔进行合理设计能确保挤压模头浆料出口处速度与压强分布均匀，本文借助流体分析软件
FLUENT分析挤压模头型腔流体流动，主要工作包括建立分析模型、划分计算网格，生成计算节点以及确定离散初始条件和边界条件，其他任务可以通过FLUENT软件的菜
单进行对应设置[12-13]。按照操作对已有的双腔式挤压模头与梯度式挤压模头进行仿真，发现蓄液槽两角落浆料分布很少，而且在去除稀松分布的部分之后，型腔看起来像衣架的形状。因此，在继承过渡式结构的基础上，对蓄液槽进行改进，设计成衣架式的样子，而且蓄液槽宽度和深度在进料口位置处最大，向两侧延伸方向上的深度和宽度逐渐递减，并对条缝层的宽度进行加大。然后对衣架式挤压
模头进行仿真，结果如图2所示。
从仿真结果可看出当浆料进入条缝后，条缝对浆料进一步的匀化使浆料速度在出口位置沿宽度方向上基本趋于一致。根据仿真结果加工出衣架式挤压模头型腔如
冷轧辊图3所示。
1.2供料装置
挤压式涂布系统需要更为严格的供料装置，该系统包括料桶、搅拌器、过滤器、供料螺杆泵、间隙涂布阀等部件[14-15]。料桶储存浆料，搅拌器防止浆料沉淀凝结，过滤器过滤掉尺寸较大的固体颗粒，供料螺杆泵输送低脉动的浆料，间隙涂布阀完成间隙涂布功能，整体上料系统如图4所示。
在涂布时，将待涂布的浆料储存于料桶中并对搅拌器通电，使浆料混合均匀避免凝结，供料螺杆泵运转从料桶中抽出浆料进行输送；首先浆料将经过滤器，再通过间
歇涂布阀进入挤压模头。间歇涂布阀进口端连通过滤器，间歇涂布阀出口的一端连通挤压模头，另一端连通回料桶。当涂布段长达到所规定长度时，间歇涂布阀进行换向，挤压模头进料方向不通，浆料回料方向通，浆料回流到料桶中，当空白段长到达规定长度时，间歇涂布阀再次换回初始通闭状态。
1.3涂布系统整体结构
完成机头涂布装置和供料装置后，参照转移式涂布
图2衣架式涂布浆料速度云图
图3衣架式挤压模头型腔
图4供料系统
间歇涂布阀2.料桶3.搅拌器4.供料螺杆泵
图5动力锂电池极片挤压式涂布系统整体结构放卷装置2.供料装置3.机头涂布装置4.烘干装置纠偏装置6.收卷装置
表1锂电池极片挤压式涂布实验参数
参数数值
模头间隙/mm0.5
模头与背辊间隙/mm0.5
铝箔速度/（m·min-1）10
螺杆泵转速/（r·min-1）2350
烘箱温度/益66
宽度W/mm
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系统完成收放卷装置、烘干装置和纠偏装置等部分的设计，最后搭建出整体涂布系统，如图5所示。
2实验结果及数据分析
完成整机装配后，试运行系统，调整各控制参数，使系统稳定运行。制定实验计划，通过铝箔移动速度、螺杆泵转速、模头开口缝隙以及模头与背辊间隙几个参数的
相互配合，调试出最佳的涂布效果。实验参数如表1所示。
得到涂布样品如图6所示，使用取样器取样，取样面
积为10cm2，取样样品如图7所示；然后对每一个样品进行编号，使用电子数显千分尺测量其厚度，对数据进行整
理如图8所示。
通过测量得到涂布极片平均厚度为0.34mm，按照涂
布要求偏差应该在依3豫以内。计算可知目标厚度最大值
为0.35mm，目标厚度最小值为0.33mm，由图8可以看出95%的样品都在目标区间，所以涂布结果可以满足一般企业要求，相信通过外部实验条件的进一步优化，可以得
到效果更好的涂布结果。
3结语
本文介绍了一种动力锂电池极片挤压式涂布系统整体结构，其中主要介绍了挤压模头和挤压模头定位支架系统以及供料系统。本文提出了一种通过FLUENT软件参数化设计进行挤压模头型腔快速有效设
计的方法。最后搭建样机并进行了实验，对实验结果进行了分析。从实验结果可以看出衣架型挤压模头在设计思路上是正确的，为后续的动力锂电池极片挤压式涂布系统的研发奠定一定的基础。
咱参考文献暂
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28-37.
（责任编辑张立明）
作者简介：刘平文（1993—），男，硕士研究生，研究方向为非标自动化；
韩良（1967—），男，博士，教授，研究方向为非标自动化、机
器视觉、机器人技术等。
收稿日期：2017-12-19
图6涂布样品
图7取样样品
图8锂电池极片样品数据
样品编号
44
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