在鋰電池工業(yè)生產(chǎn)上，模頭擠壓涂布由于高精度、寬涂布窗口、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)成為應(yīng)用最廣泛的涂布方式。如圖1所示，漿料由精確的進(jìn)料系統(tǒng)（如螺桿泵）提供，進(jìn)入模頭內(nèi)部型腔，在涂層寬度方向均勻分布，最后漿料受擠壓通過(guò)模頭狹縫，在移動(dòng)的基材上形成涂層。由于漿料流體特性，在涂層起始點(diǎn)、終止點(diǎn)以及兩側(cè)邊緣容易形成如圖1中所示半月形特征。涂布工藝中，極片邊緣出現(xiàn)的這種厚度突增的形貌被稱(chēng)為“厚邊”現(xiàn)象。
圖1 擠壓涂布示意圖
根據(jù)電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和對(duì)應(yīng)的工藝設(shè)計(jì)，鋰電池極片涂布工藝可分為連續(xù)涂布和間歇涂布，如圖2所示，連續(xù)涂布中，對(duì)電池性能和工藝有影響的厚邊問(wèn)題主要在涂層兩側(cè)邊緣，而對(duì)于間隙涂布，除了兩側(cè)邊緣，涂層的起始和結(jié)束邊緣（頭尾）同樣可能存在這種厚邊情況。這種厚邊現(xiàn)象是不期望出現(xiàn)的，并會(huì)對(duì)電池的工藝過(guò)程和電池性能和一致性產(chǎn)生問(wèn)題。
圖2 連續(xù)涂布和間歇涂布方式結(jié)構(gòu)示意圖
厚邊現(xiàn)象的危害
不管是連續(xù)涂布還是間歇涂布（如圖2所示），這種半月形形貌特征都會(huì)嚴(yán)重影響涂層的均勻性。一般地，涂層邊緣厚度比正常區(qū)域厚幾微米至十幾微米，在涂布干燥后收卷時(shí)，成百上千層極片收成一卷，涂層側(cè)面邊緣厚度凸起線(xiàn)累積成幾毫米，導(dǎo)致極卷產(chǎn)生鼓邊現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成極片斷裂，這嚴(yán)重影響涂布收卷整齊度及其后續(xù)工序。
這種厚邊情況也會(huì)影響極片的輥壓工藝，由于邊緣厚度較中間部位大幾微米或十幾微米，輥壓軋輥壓力作用在極片上時(shí)，邊緣厚度大的區(qū)域承受更大的軋制力，從而導(dǎo)致極片輥壓壓實(shí)橫向密度不一致，一方面這會(huì)造成輥壓之后的極片翹曲度更大形成蛇形極片，在后續(xù)的分條或模切、卷繞等工藝過(guò)程中，極片張力分布不均衡，極片收放卷對(duì)齊度無(wú)法保證，這也會(huì)影響極片加工尺寸，容易出現(xiàn)不良品。
厚邊現(xiàn)象造成的極片厚度、壓實(shí)密度不均勻同樣對(duì)電池性能有影響，在充放電過(guò)程中，可能出現(xiàn)電流分布不均勻，更容易形成極化。因此，電池極片在充放電膨脹、收縮過(guò)程中受力也不一致，厚邊緣更容易失效。
一般地，3C電池工藝設(shè)計(jì)時(shí)，切除極片邊緣來(lái)消除這種厚邊的不利影響。而動(dòng)力電池要求高功率和高能量，電池設(shè)計(jì)往往需要保留涂層邊緣，因此，厚邊現(xiàn)象更受關(guān)注，Marcel Schmitt等人就研究了涂布工藝參數(shù)對(duì)連續(xù)涂布兩側(cè)厚邊的影響，期望理解和認(rèn)識(shí)產(chǎn)生這種情況的原因。
厚邊現(xiàn)象的定量描述
圖3 涂層邊緣厚度突增典型形貌圖
為了分析涂層的邊緣效應(yīng)，作者引入一些特征參數(shù)來(lái)定量表征涂層的厚邊現(xiàn)象。如圖3所示，這是涂層邊緣厚度突增典型形貌圖，涂層中間厚度為H（圖3中H=100μm），而涂層凸起點(diǎn)的厚度為HEdge，無(wú)量綱厚度H*定義為式（1）：
(1)
理想情況下，H*等于1，極片涂層邊緣沒(méi)有厚邊情況產(chǎn)生。
公式（2）定義涂層厚邊緣的無(wú)量綱寬度：
(2)
其中，B*為厚邊緣的無(wú)量綱寬度，BEdge 為厚度凸起的涂層寬度，測(cè)量涂層的厚度，厚度值第一次檢測(cè)到為H的105%時(shí)的位置定義為BEdge 的起點(diǎn)，繼續(xù)橫向測(cè)量厚度再變?yōu)?/span>H時(shí)位置定義為BEdge的終點(diǎn)，如圖3所示，一般鋰電池涂布中H*甚至能達(dá)到10以上。而厚邊涂層的梯度R*定義為式（3）：:
（3）
其中，BStep的終點(diǎn)位置為第一次檢測(cè)極片厚度為集流體厚度的105%的位置。
以上三個(gè)無(wú)量綱參數(shù)用來(lái)定量描述極片涂層厚邊緣的厚度、寬度和梯度特征。
厚邊現(xiàn)象的影響因素
影響極片涂層厚邊現(xiàn)象產(chǎn)生的因素主要有幾個(gè)方面：（1）涂布模頭的幾何特征及涂布工藝參數(shù)，模頭擠壓涂布流場(chǎng)示意圖如圖4所示，模頭幾何參數(shù)和涂布工藝參數(shù)包括狹縫尺寸S、模頭出口漿料流量q、模頭與涂輥間隙尺寸G、涂布速度U、涂層濕厚H等；（2）漿料的性質(zhì)，特別是漿料表面張力。
圖4 模頭擠壓涂布外流場(chǎng)二維截面示意圖
（1）涂布速度的影響
Marcel Schmitt等人鋰離子電池負(fù)極漿料涂布工藝實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，涂布速度對(duì)厚邊的無(wú)量綱厚度和寬度幾乎沒(méi)有影響，而會(huì)影響厚邊的梯度特征R*，當(dāng)涂布速度增加時(shí)，R*相應(yīng)增加，即厚邊緣厚度變化更尖銳，如圖5所示。
圖5 涂布速度與厚邊梯度的關(guān)系
（2）涂布間隙的影響
1986年，Dobroth等人總結(jié)了厚邊涂層厚度與涂布工藝的經(jīng)驗(yàn)公式（4）：
（4）
其中，D為漿料拖曳力比值，定義為涂布速度U與漿料在出口的平均速度USlurry比值，具體可由式（5）計(jì)算：
（5）
式中，q為漿料體積流量，H為涂層濕厚，G為涂布間隙。因此，厚邊涂層厚度與無(wú)量綱涂布間隙G*相關(guān)。
圖6為無(wú)量綱涂布間隙G*與厚邊無(wú)量綱厚度H*的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖和公式預(yù)測(cè)關(guān)系，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，涂布間隙增加時(shí)厚邊厚度相應(yīng)增加，但是從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看相關(guān)性不是特別大。而隨著涂布間隙增加，厚邊涂層的寬度增加，如圖7所示。因此，減低涂布間隙是抑制厚邊現(xiàn)象的一個(gè)有效措施。
圖6 涂布間隙與厚邊厚度的關(guān)系
圖7 涂布間隙與厚邊寬度的關(guān)系
（3）表面張力的影響
另外，漿料性質(zhì)對(duì)厚邊也具有巨大影響，一方面從模頭擠壓噴出時(shí)，粘彈性漿料流體會(huì)發(fā)生膨脹，由于受到模頭邊緣壁面的額外應(yīng)力作用，邊緣處漿料膨脹效應(yīng)更明顯，從而導(dǎo)致厚邊現(xiàn)象產(chǎn)生。另外，漿料的表面張力作用下，涂層在干燥過(guò)程中發(fā)生流延也會(huì)造成厚邊現(xiàn)象。如圖8所示，涂層干燥時(shí)，各處干燥速度相同，而邊緣處溶劑蒸發(fā)更快些，因此邊緣成分變化更快時(shí)，如果漿料里面沒(méi)有界面活性劑等添加劑，或者分散的顆粒懸浮液表面張力大于溶劑的表面張力時(shí)，漿料向邊緣流動(dòng)，最終導(dǎo)致厚邊現(xiàn)象。
圖8 干燥過(guò)程中厚邊現(xiàn)象產(chǎn)生過(guò)程
厚邊現(xiàn)象的解決措施
涂布厚邊現(xiàn)象是一種不利的缺陷，根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析，阻止和緩解厚邊現(xiàn)象的措施有：
（1）漿料流量一定時(shí)，減小狹縫尺寸能夠增加漿料在模頭的出口速度，從而降低漿料的拖曳力比值D，進(jìn)而減小厚邊涂層的無(wú)量綱厚度H*，但是狹縫尺寸變小模頭內(nèi)部的壓力更大，更容易造成模頭出口形狀的膨脹，從而出現(xiàn)涂層橫向厚度不均勻性，這需要更高精度的涂布設(shè)備配合。
（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）降低漿料的表面張力，如添加界面活性劑、降低粘度等，抑制干燥過(guò)程中漿料向邊緣的流延。
（4）優(yōu)化狹縫墊片出口形狀，改變漿料流動(dòng)速度方向和大小，降低邊緣漿料的應(yīng)力狀態(tài)，減弱漿料邊緣膨脹效應(yīng)。
