一种电池极片涂布调节装置及其调节方法
技术领域
本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种电池极片涂布调节装置及其调节方法。
背景技术
电池的主要储能元件是电池极片，即涂敷了薄层电极材料的集流体金属箔，其主要生产方式是狭缝式挤压涂布技术。随着市场对电池一致性和成本控制要求的提高，极片的生产要求涂敷装置可以实现更高的涂层均匀度和自动化程度。
目前行业用于极片涂布的装置大部分为不可调节的挤压式模头，其涂层质量依赖于加工精度和前期设计。然而，锂电池浆料属于性质变化范围较大的非牛顿流体，生产过程中存在系数变化，传统的不可调节模头很难实现更高的自动化程度。同时，受限于加工精度，在宽幅极片生产过程中很难实现更高的涂层质量。目前有少量高端涂敷装置配置机械调节功能，例如通过施加作用力使模唇机械变形，从而改变狭缝宽度而实现调节。应用此类涂层装置可以改善涂层质量，但是由于模唇承受的循环性应力通常会造成涂头的金属疲劳损伤，所以此类装置基本只用于线下手动调节，在生产过程中在线调节的能力有限，无法满足更高自动化生产要求。同时此类设备仅可以实现被动补偿式调节，即需要在下游利用不同探测器对涂布成品进行质量监控和采样，根据测量结果趋势，滞后性调节工艺参数，此类设备存在响应速度慢，调试时间长，设备费用高等问题，无法实现智能自动化生产。
如图1所示，狭缝涂布(Slot Die)是电池极片的主要生产方式，图中唇口厚度为A1的涂头下模唇1与唇口厚度为A2的涂头上模唇2组成一条宽度为B的出口狭缝。其中，件4为装置内的分配室。粘度为η、密度为ρ、表面张力为σ的极片浆料3以流量Q、进口压力P经过路径L，通过模唇和狭缝被施加到以速度U运动的极片涂布基材5上，浆料质量流速为m，得到厚度为h的涂层。其中涂头下部唇口距离涂布基材5的距离为C1，涂头上部唇口距离涂布基材5的距离为C2，半月板上游气压为PU，涂布下端气压为PD。
众所周知，狭缝涂布工艺的稳定工艺窗口受到唇口厚度、唇口与基材的距离、浆料流速、浆料压力、基材运动速度、流体力学性质、流变力学性质等多个工艺参数的影响。超出稳定涂布的工艺范围，就会发生涂层厚度不一致等涂布缺陷。
对于非牛顿流体，如锂离子电池浆料，其流体的流变力学性质也对涂布质量产生重要的影响，在经典的粘性毛细作用模型(VCM)(参见Durst，F.，et al，Slot coatersoperating in their bead mode.Coating 11/2007，1-6.)中，一般需要引入毛细作用数Ca来对涂布工艺窗口进行考察。毛细作用数的定义为：
Ca＝(η.U)/σ公式1
半月板上游气压PU与涂布下端压力PD的压差ΔPDU是确定涂布窗口的重要参数，其中公式2标定涂布窗口的上限，当ΔPDU小于此上限时，涂层稳定，而超过此上限，涂布则会发生溢出缺陷。公式中的±符号为区别浆料的亲/疏水性质。
第一种情况(case 1)：
公式3标定了涂层窗口的下限，ΔPDU大于此下限压力时才能形成稳定涂层，而当ΔPDU小于此压差时，涂层会产生气渗缺陷。同上，公式中的±符号为区别浆料的亲/疏水性质。
第二种情况(case 2):
如果同时考虑基材流速的影响，可以通过压差和Ca数的函数关系(如图2所示)，得到稳定的涂布窗口工艺条件。由于加工精度限制，日常生产的磨损，以及电池浆料在实际生产中由于温度变化造成的性质变化等因素，导致涂层质量尤其在宽幅涂头的横幅方向上，大部分工艺参数无法保持绝对一致，或由于剪切力变化，造成浆料属性在横幅方向上分布不匀，从而造成了涂层窗口波动和涂层质量不均一，这时如不及时调整压力以适应新的工艺条件，就会出现无法保证电池产品的高一致性和安全性的情况。
为提高产品质量和产品均一性，如图3所示，目前有技术通过对唇口部位施加应力造成机械变形，从而纠正涂布质量不佳的区域(CN201380146Y，US6344088)。然而，由于该方法需要通过机械手段对涂头的硬件进行变形处理，导致响应时间慢，精度无法保证，并且模唇经常性的变形会造成涂头脆弱连接处的永久疲劳损伤，造成涂头报废，无法用于自动化在线调节。
为保证涂布质量的均一性，涂头浆料的质量流量m在横幅方向的均匀度必须达到一定的要求，比如差异小于0.1％。而浆料在横幅方向上的质量分布可以通过以下微分方程描述：
可以发现，上料压力波动，涂头唇口精度不高，涂头磨损造成尺寸变化，浆料混合不均匀，环境温度波动造成流变性质差异等等均会导致涂布质量的均一性变化。而通过对上式中参数的调整，则可以实现对浆料质量流量均一性，即涂布质量均一性的控制。
上文提高涂布质量的机械调节方式，实际主要是对dC2/C2项进行调节，由于模唇机械变形相应时间问题，调节的即时性极低，目前也有厂家提出通过控制温度来改变浆料粘度dη/η进行调节，或通过截流浆料的方法对dB/B项进行机械调节，然而这些调节方式也同样存在响应时间慢，精度低，调解参数不可控，只有缺陷出现后才能进行被动调节，不能及时改善产品等问题。
发明内容
针对上述问题，本发明旨在提供一种新的涂布调节装置和调节方法，以能够实时在线对涂层进行调节，以实现更高的出口流体分布均匀度，提高产品质量，同时实现涂布调节控制的自动化，提高生产效率。
首先，本发明提供一种电池极片涂布调节装置，所述调节装置设置于电池极片涂布装置内，用于实时对被涂布基材的表面涂布质量进行调节，所述调节装置为压力调节装置，实时检测所述电池极片涂布装置内浆料的压力并根据需要对浆料的压力进行实时补偿，以使得所述电池极片涂布装置出口的压力符合要求，达到对基材的表面涂布质量进行调节的目的。
上述的电池极片涂布调节装置，所述调节装置主要包括浆料压力检测元件和压损调节元件，所述浆料压力检测元件用于对所述电池极片涂布装置内的浆料压力进行检测，所述压损调节元件根据所述压力检测元件测量的压力值对所述电池极片涂布装置出口处的浆料压力进行调节，所述压力检测元件和压损调节元件位于浆料流动方向的同一截面上，所述压力检测元件位于所述压损调节元件的上游。
上述的电池极片涂布调节装置，所述压力检测元件的类型可包括机械结构型、扩散硅压力型、静电容量型以及半导体压电阻型。
上述的电池极片涂布调节装置，所述压力检测元件的前端密封，为耐腐、耐磨检测元件。
上述的电池极片涂布调节装置，所述压损调节元件可为接触式压损调节元件或非接触式压损调节元件。
上述的电池极片涂布调节装置，所述接触式压损调节元件的类型可包括液压式、温控式、压电陶瓷式、螺杆机械调节式；所述非接触式压损调节元件的类型可包括电场式、磁场式和超声波式。
上述的电池极片涂布调节装置，所述调节装置还包括调后压力检测元件，所述调后压力检测元件设置于所述压损调节元件的下游，用于对浆料调节后的压力进行检测；所述调节装置还包括压损驱动装置，用于驱动所述压损调节元件对浆料的压力进行补偿调节。
上述的电池极片涂布调节装置，所述调节装置设置有多套，该多套调节装置在与浆料流动方向垂直的横向连续或间隔布置，每相邻两套装置的横向间距在0-100mm之间。
本发明还提供一种利用上述的电池极片涂布调节装置进行调节的方法，所述方法包括：
实时检测涂布装置内浆料的压力，根据涂布质量要求对涂布装置内浆料的压力进行调节，以使得浆料的压力符合要求，达到对被涂布基材的表面涂布质量进行调节的目的。
进一步地，对所述浆料的压力进行调节包括接触式调节和非接触式调节；对浆料压力检测的响应时间小于1ms，测量范围值小于2bar。
本发明通过直接监测涂敷设备腔内流体压力分布的方式，快速和直接地取得腔内流体的实时分配情况，根据监测结果在涂层被施加到基材之前即进行参数调整，从而实现更高的出口流体分布均匀度，提高产品质量。该方法属于主动式调节，可以实现在线实时精确的调节，从而提高锂离子电池产品的一致性和安全性。同时，本发明使得涂布生产线无需下游设置面密度检测装置或测厚装置，可以实现更短的开机调试时间和更快的响应速度，提高了生产效率。
附图说明
图1为涂布装置内狭缝涂布工作示意图；
图2为挤压式涂布工艺窗口示意图；
图3为传统机械调节方式结构示意图；
图4a为本发明一个实施例的接触调节方式示意图；
图4b为本发明另一个实施例的接触调节方式示意图；
图4c为本发明另一个实施例的接触调节方式示意图；
图5a为本发明一个实施例的非接触调节方式示意图；
图5b为本发明另一个实施例的非接触调节方式示意图；
图5c为本发明另一个实施例的非接触调节方式示意图；
图6为本发明一个实施例的压力测量和压损调节元件配置位置示意图；
图7为本发明一个实施例的压力调节曲线示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案以及各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。
发明人经研究发现，由于大气压力PD恒定，对唇口精度要求、涂布间距的要求以及浆料性质的一致性要求，均可以表现为对P2处(图4)压力的一致性要求，如公式5：
公式5
故此，本发明提出调节方法及相应涂敷调节设备，涂头内部配置压力测量元件，对涂头腔体内的浆料压力横向分布P1进行实时的检测，根据公式6：
并将P2，预测与P2，要求之间的差异通过调节元件进行补偿，其补偿额度为：
P补偿＝P2，要求-P2，预测公式7
上述公式中，S1为调前压力检测处距狭缝出口的距离，S2为调节装置距狭缝出口的距离。由于压力波在流体内以声速传播，故该方法可以实现毫秒级别的响应速度，在涂头内即完成对浆料的主动调控，调节精度高，速度快，扩展性强，实现了涂布自动化调节方式的突破。
具体地，本发明的电池极片涂布调节装置设置于电池极片涂布装置内，用于实时对被涂布基材的表面涂布质量进行调节，该调节装置为压力调节装置，实时检测电池极片涂布装置内浆料的压力并根据需要对浆料的压力进行实时补偿，以使得所述电池极片涂布装置出口的压力符合要求，达到对基材的表面涂布质量进行调节的目的。
更具体地，调节装置主要包括浆料压力检测元件和压损调节元件，浆料压力检测元件用于对电池极片涂布装置内的浆料压力进行检测，压损调节元件根据所述压力检测元件测量的压力值对所述电池极片涂布装置出口处的浆料压力进行调节。所述压力检测元件和压损调节元件位于浆料流动方向的同一截面上，所述压力检测元件位于所述压损调节元件的上游。
以图4a为例，首先通过调前压力检测元件6得到腔体内浆料压力分布值P1。压力检测元件包括但不限于机械结构型、扩散硅压力型、静电容量型，以及半导体压电阻型等测量方式，并且传感器位置可以安装于压损调节元件的同侧(如图4a、图5a)或异侧(图4c、图5c)。压力检测元件优选前端密封，材料抗腐蚀和抗磨擦，包括但不限于例如陶瓷、不锈钢、硬质合金或其它合金等。
根据P1的测量结果和公式6可以预测调后压力P2,预测。本发明的调节装置根据压损调节元件的不同类型，可进一步包括驱动元件，如图4a所示，可通过驱动元件9对压损调节元件8进行调节，以实现根据公式7确定的压力要求，即调后压力P2,要求。
根据本发明的一个实施例，接触式调节的压损调节元件8可为块状或片状金属，驱动元件9可为液压或电动驱动单元，驱动元件9驱动压损调节元件8上下移动以实现压力的调节。
根据本发明的一个实施例，调节装置还可包括调后压力检测元件，所述调后压力检测元件设置于所述压损调节元件的下游，用于对浆料调节后的压力进行检测。如图4a所示，通过驱动元件9驱动压损调节元件8进行压力调节之后，调后压力检测元件7可以实时对调节结果即调后压力P2进行反馈，进而可以更为主动控制和改善产品质量。
本发明通过压力测量和压损调节，可以补偿上料压力波动、涂头磨损、浆料混合不均匀等因素造成的腔内压力分布不匀，大幅降低了对上料单元压力稳定性和涂头加工精度的要求，对生产进行主动调节，并且根据工况可以实时调整工艺要求曲线，实现高速自动化生产。
本发明涉及的调节方式除图4a、4b、4c所示的直接的接触式调节改变压力以外，也可以电磁场以及超声波等非接触调节元件11直接向浆料施加作用力，实现非接触调节，如图5a、5b、5c所示。
接触式压损调节元件的类型包括液压式、温控式，压电陶瓷式、螺杆机械调节式；非接触式压损调节元件的类型包括电场式、磁场式和超声波式等。
为了保证横幅方向涂层厚度的均匀性，根据本发明的一个实施例，涂布装置可配置多套压力检测及调节元件，压力检测和压损调节元件配置位置示意如图6所示，每套的压力检测和调节元件应沿浆料流动方向同一截面配置，每相邻两套装置的横幅间距一般为0-100mm之间，优选距离为30-80mm,更优选距离为40–70mm。
压损调节元件应配置在调前压力检测元件6和调后压力检测元件7之间。
根据本发明的一个优选实施例，调后压力检测元件7可设置在距离狭缝出口10-100mm处；压损调节元件8可设置在距离狭缝出口20–150mm处；调前压力检测元件6可设置在距离狭缝出口30-350mm处。
本发明还提供包括上述调节装置的电池极片涂布系统，该系统包括电池涂布装置及调节装置，调节装置设置在电池涂布装置内。一般地，电池涂布装置为本文前述的带有狭缝的涂布装置。
本发明利用上述电池极片涂布调节装置进行调节的方法，可概括为：
实时检测涂布装置内浆料的压力，根据涂布质量要求对涂布装置内浆料的压力进行调节，以使得浆料的压力符合要求，达到对被涂布基材的表面涂布质量进行调节的目的。
其中，对所述浆料的压力进行调节包括接触式调节和非接触式调节；接触式压损调节元件的类型包括液压式、温控式，压电陶瓷式、螺杆机械调节式；非接触式压损调节元件的类型包括电场式、磁场式和超声波式等。
根据本发明的优选实施例，对浆料压力检测的响应时间小于1ms，即工作频率大于1000Hz，测量范围值一般小于2bar。
根据本发明的一个实施例，对浆料的调节进行多点检测与调节，在涂覆的横幅方向上，也就是位于狭缝的横向，设置多组检测与调节装置，压力检测和压损调节元件配置位置示意如图6所示，每套的压力检测和调节元件应沿浆料流动方向同一截面配置，每相邻两套装置的横幅间距一般为0-100mm之间，优选距离为30-80mm,更优选距离为40–70mm。
此外，本发明还可以根据调前压力测量结果，主动设置浆料的工艺参数，通过调节机构对腔体内浆料的性质进行调节，达到使得浆料压力一致的目的，最终实现涂布质量的均一稳定。
更进一步，本发明可以配合实时产品检测系统的反馈，实现在主动通过压力测量对参数进行调节的基础上，通过实时产品质量的反馈，对调节参数进行更精密的设置，并且该精密度随着生产过程中数据量的增加而增加，从而以实现更精确、更均匀的涂布产品质量。
如图7所示，根据本发明的一个实施例，可见本发明实施例的涂布装置一般压力分布差异较大，可以预见，将对涂布质量和均匀度造成影响，极限情况则会造成产品缺陷。而应用本发明的涂敷模头调节方法及其设备，主动对参数进行了实时的调整，实现了均匀稳定的浆料出口压力分布，保证了涂布质量的均匀稳定。
由以上说明可知，本发明通过直接监测涂敷设备腔内流体压力分布的方式，快速和直接地取得腔内流体的实时分配情况，根据监测结果在涂层被施加到基材之前即进行参数调整，从而实现更高的出口流体分布均匀度，提高产品质量。该方法属于主动式调节，可以实现在线实时精确的调节，从而提高锂离子电池产品的一致性和安全性。同时，本发明使得涂布生产线无需下游设置表面质量检测装置，可以实现更短的开机调试时间和更快的响应速度，提高了生产效率。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
