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簡要分析鋰電池陰陽極涂布制作工藝

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2018年12月10日  

鋰電池陰陽極之涂布

關于涂布部分,如涂液具有切變稀化及屈服應力等特別之非牛頓流體現象,文獻上已有相當的文獻討論具此等特性涂液相關之狹縫式涂布模具設計,但在實際操作上,如涂液在模具內分流管兩端因流動較慢,內壁應力(wallstress)如小于屈服應力,則會呈現涂液靜止不動之現象,會因此而造成涂布不均或涂液在模具內質量劣化等現象。本實驗室以小型T-die進行流場觀測實驗,如圖6所示,本實驗在模具側面加裝一開口,以增加涂液在模具兩側的流動速度,由圖可知,若將側面開口之閥門開啟,可有效改善涂液在模具內累積、靜止不動及流速慢而造成涂布不均的現象。

鋰電池陰陽極涂布制作工藝

圖6模具加裝側邊開口防止涂液累積照片

本實驗室對于含高成份固體顆粒涂液之模具設計,提出一簡單和有效的新方式,其概念如圖7所示,基本上模具本體包含四部份,公母模皆為平板,易于加工,而另二片模具夾片,則視涂液之流變特性而設計,設計之目標主要有二,一為保持涂膜之均勻性,一則維持涂液在模具內之高流動速度,不致產生靜止區域或沈淀等問題。在實務操作涂布寬度可能因產品規格不同,而有不同之變化,因模具造價很高,不可能一種涂膜寬度用一只特定之模具,模具必須有操作彈性,一只模具應能適用不同寬度之產品。實務操作上,工程師多以夾片塞邊來調整寬度,但會改變涂膜均勻度及操作不便,用本實驗室所提出新穎的概念,只需設計制作兩片特定之夾片即可(ABDie),模具操作彈性,但此二夾片之設計,則需有完整之涂液流變量據及理論設計基礎,研究結果顯示,本實驗室設計制作之ABDie可使流體在模具內流動具有較大的切變率,有效改善高固含量懸浮涂液在模具內沉淀的問題,且能維持涂膜之高均勻度,可做為具粒子涂液之產品如燈箱片、LCD擴散膜、鋰電池陰陽極、透明導電膜等濕式制程之模具參考。

鋰電池陰陽極涂布制作工藝

圖7含高成份固體顆粒涂液之模具設計

鋰電池陰陽極之干燥

對于鋰電池陰陽極涂布后干燥而言,其目的有二,一為提升干燥效率,即提高干燥溫度以增加產能,二為改善電池之質量。目前鋰電池陰陽極之干燥溫度在110-120℃之間,本實驗室經研究發現如提升干燥溫度至150℃,雖可加快生產速度,提高產能,但會造成因快速干燥,烘干之涂層中,黏著劑大都移于上層,而顆粒則多分布于干燥后涂層之下層,稱為bindermigration,如圖8所示。

鋰電池陰陽極涂布制作工藝

圖8bindermigration示意圖

此一分離現象會大幅降低電池之性能。本實驗室提出一個創新的做法解決此一問題,即用如圖9所示之雙層同時涂布之狹縫式模具來解決此一問題,原來之成份一分為二,在涂布時下層會有較多之黏著劑,而上層會有較多之顆粒,但是二層同時涂布烘干時,其固體成份與原來之成份相同,在高溫干燥過程中,很難防止bindermigration的發生,但是因原來上層較少黏著劑而下層有較多顆粒,反而因bindermigration造成黏著劑在二合為一的涂層中具較均勻之分布。當然要形成黏著劑分布并非易事,但經數次實驗,即可抓出大致調整成份比例的方向,而使黏著劑分布大為改善,進而改善電極在電化學上之表現。同時雙層涂布對鋰電池的好處,除上述藉高溫提升升產效率之外,還可以大幅改善電池之表現。

鋰電池陰陽極涂布制作工藝

圖9雙層涂布示意圖

如上所述鋰電池陰陽極之成份如表2所示,相當復雜,但每種成份各有其功能。從配方與涂布之經驗法則可知,如把所有成份混在一層,其個別成份之功能一定會下降,如能使其分層涂布,干燥后再連結成一體,則其功能可有較佳之成果,本實驗室完成了一些評估,即將奈米級與微米級的碳黑材料分于二層,涂布于基材,再比較其與將二種碳黑材料混于一層之結果相比較,本實驗室所設計之實驗有四種安排,如圖10所示,涂布干燥后測其電性表現,如圖11所示,由圖可知雙層涂布之結果遠佳于單層涂布,此為同時雙層涂布之另一功能。

鋰電池陰陽極涂布制作工藝

圖10鋰電池涂布實驗設計

鋰電池陰陽極涂布制作工藝

圖11電池不同放電電流測試(C-rate),雙層極板四在2C到3C時效果最佳

本文以鋰電池之制作,說明加工技術與產品物性之間的關系,雖然鋰電池之加工技術,主要為涂布,但是為求達成制作良好電性之鋰電池陰陽極,必須充分了解原料與產品之物性,才能選擇設計良好之加工技術。對鋰電池陰陽極之涂布加工制作而言,如果涂料各成份不能均勻混合,再優良的涂布技術,也制作不出性能極佳之電池,所以本實驗室提出一種能以三維觀點有效混合涂料的方法。在涂布方面,礙于涂料復雜之流變特性,本實驗室分析了模具內如分流管邊端太大,涂液呈現靜止流動之狀況及改善之道。對于提高干燥溫度,以圖改進生產良率所造成bindermigration之現象,本實驗室提出了以二層同時涂布的方式解決此一問題。雙層同時涂布對鋰電池之表現另有一好處,即將功能不同之成份分二層涂布制作,可有效改善鋰電池之性質。

本文的重點,在于說明針對產品之特性,提出有效先進的加工方式,是改進產品性質之極佳方式。

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