圖1 擠壓涂布及模頭示意圖
要制造均勻穩(wěn)定的電極涂層，涂布過(guò)程中必須滿(mǎn)足以下條件：
(1)漿料性質(zhì)穩(wěn)定，不發(fā)生沉降，粘度、固含量等不發(fā)生變化;
(2)漿料上料供應(yīng)穩(wěn)定，在模頭內(nèi)部形成均勻穩(wěn)定的流動(dòng)狀態(tài);
(3)涂布工藝在涂布窗口范圍內(nèi)，在模頭與涂輥之間形成穩(wěn)定的流場(chǎng);
(4)走箔穩(wěn)定，不發(fā)生走帶滑動(dòng)、嚴(yán)重抖動(dòng)和褶皺：需要有好的張力、糾偏控制。
其中，擠壓模頭的設(shè)計(jì)對(duì)涂布精度有極其重要的影響，設(shè)計(jì)時(shí)還需要考慮涂布漿料流變特性，按所提供的流變數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)加工擠壓模頭，擠壓模頭內(nèi)部型腔的幾何結(jié)構(gòu)直接影響型腔的流場(chǎng)形態(tài)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)能有效提高出口速度分布的均勻性。目前，國(guó)內(nèi)僅有曼恩斯特等公司具有自主研發(fā)設(shè)計(jì)涂布模頭的能力，其設(shè)計(jì)優(yōu)化包括：
(1)涂布模頭內(nèi)部流道設(shè)計(jì)，比如梯度式、衣架式、單腔式和雙腔式等料槽結(jié)構(gòu)。目標(biāo)就是維持涂液在模具內(nèi)的流動(dòng)速度，不產(chǎn)生靜止區(qū)域或沉降等問(wèn)題，從而確保模頭狹縫出口速度均勻保證涂層的均勻性。
(2)進(jìn)料位置優(yōu)化設(shè)計(jì)，比如模頭下部進(jìn)料，模頭側(cè)面進(jìn)料等，改變流體流動(dòng)狀態(tài)確保模頭狹縫出口速度均勻。
(3)墊片結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
雖然優(yōu)化設(shè)計(jì)模頭內(nèi)部的型腔可以將漿料流體均勻地分布在模頭狹縫，但是狹縫平臺(tái)的表面質(zhì)量和上、下膜之間狹縫間隙最終控制流體流出狹縫模頭時(shí)的流動(dòng)狀態(tài)。均勻流動(dòng)的關(guān)鍵是出口處的壓力、速度和體積流量的分布和穩(wěn)定。體積流量V的控制方程如下所示：
其中，ΔP為通過(guò)狹縫模頭的壓降;b 為模頭上下模之間狹縫間隙;μ為漿料的粘度;L為狹縫流動(dòng)方向的長(zhǎng)度，如圖2所示。
圖2 模頭狹縫流量方程參數(shù)
由以上公式可知，模頭上下模之間的狹縫間隙b是模頭出口漿料體積流量的三次方變量，當(dāng)這個(gè)變量稍微發(fā)生變化時(shí)，可能就會(huì)對(duì)涂布結(jié)果產(chǎn)生很大的影響。因此，涂布模頭的狹縫間隙又是整個(gè)模頭的關(guān)鍵，涂布時(shí)漿料不斷流經(jīng)唇口，從狹縫噴出，唇口的性能指標(biāo)會(huì)直接影響涂布效果。根據(jù)鋰離子電池涂布的特點(diǎn)，擠壓模頭狹縫唇口應(yīng)該滿(mǎn)足以下要求：
(1)唇口尺寸精度要求高。鋰離子電池涂布一般漿料濕厚100-300 μm，精度要求<1%，因此，對(duì)刃口的尺寸要求也很高，比如唇口要求鋒利，達(dá)到微米級(jí)精度;刃口直線(xiàn)度高(小于2μm/m)。
(2)狹縫平臺(tái)表面光潔，粗糙度小(Rz 0.02μm以下)。漿料是活物質(zhì)顆粒懸浮液，流經(jīng)狹縫然后從唇口噴出，如果固體在某處停滯堆積，會(huì)造成涂布厚度不均勻，形成豎直條道等缺陷。這就要求噴口面表面光潔，粗糙度小，不造成固體顆粒堵塞。
(3)唇口材料硬度高，耐磨損，使用壽命長(zhǎng)。正負(fù)極漿料是由固體顆粒組成的懸浮液，在涂布過(guò)程中漿料在壓力作用下不斷從狹縫唇口噴出，固體顆粒會(huì)對(duì)狹縫表面形成磨粒磨損，這就要求唇口材料硬度高，耐磨，能夠長(zhǎng)期使用。
(4)耐腐蝕。鋰離子電池漿料里面往往包含有機(jī)溶劑，聚合物粘結(jié)劑等組分，正極漿料往往還成弱堿性，因此，要求唇口耐腐蝕。
(5)唇口鋒銳，要求具備一定韌性，不會(huì)發(fā)生斷裂，要求材料抗壓強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度高，不會(huì)發(fā)生彎曲變形。
考慮到具體的使用環(huán)境和成本因素，我們應(yīng)該根據(jù)需要合理選擇擠壓模頭的材質(zhì)，通常模頭材質(zhì)選擇方案包括模頭主體選擇不銹鋼，關(guān)鍵的唇口部分選擇硬質(zhì)合金、鈦合金或者耐腐蝕合金等;或者模頭主體和關(guān)鍵的唇口部分都選擇硬質(zhì)合金、鈦合金或者耐腐蝕合金等;或者模頭采用電鍍耐磨鍍層等。目前不管采用哪種方式的金屬模頭都有模頭唇口磨損現(xiàn)象，也嚴(yán)重影響了模頭的使用壽命。因此，涂布設(shè)備去金屬化勢(shì)必成為發(fā)展趨勢(shì)。
2024年4月26日，曼恩斯特以“陶瓷賦能，智能換新”為主題，發(fā)布了全自動(dòng)雙層陶瓷新品模頭。這是國(guó)內(nèi)首套自主研發(fā)的全陶瓷涂布模頭，這是由全陶瓷上、中、下模、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、墊片、點(diǎn)膠閥、控制系統(tǒng)等組成的全陶瓷閉環(huán)調(diào)節(jié)涂布模頭，該模頭具有高耐磨、高硬度、耐腐蝕、變形小、抗沖擊等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)全陶瓷材料實(shí)現(xiàn)涂布段去金屬化，使得漿料在涂布過(guò)程中，涂布狹縫的狹縫成型面的耐磨性能以及耐腐蝕性能均有較大的提高，而且即使有較少的陶瓷材料磨損進(jìn)入漿料，也不會(huì)影響電池極片的性能，從而保證了成品電池極片的品質(zhì)。
圖3 曼恩斯特全陶瓷閉環(huán)調(diào)節(jié)雙層涂布模頭
曼恩斯特在發(fā)布會(huì)上表明，他們?cè)陂_(kāi)發(fā)全陶瓷全自動(dòng)新品模頭中具有5大核心優(yōu)勢(shì)：
(1)強(qiáng)大的陶瓷材料研發(fā)團(tuán)隊(duì)，具有博士、碩士、本科生等100名以上專(zhuān)業(yè)人員，申請(qǐng)了多項(xiàng)專(zhuān)利。
(2)自研陶瓷材料配方，全陶瓷成分和膠合理配比，解決了大尺寸生坯加工和燒結(jié)的開(kāi)裂難題，而且單質(zhì)金屬含量為0，沒(méi)有任何對(duì)電池有害元素。
(3)自研陶瓷加工工藝，采用共沉淀法，合成納米陶瓷粉體，通過(guò)砂磨機(jī)研磨，控制陶瓷粉體的粒徑;采用制漿加膠工藝，噴霧造粒工藝，高壓成型工藝、毛坯加工工藝、燒結(jié)工藝、精加工等工藝。
(4)擁有行業(yè)領(lǐng)先的4大陶瓷科研實(shí)驗(yàn)室，材料實(shí)驗(yàn)室、燒結(jié)實(shí)驗(yàn)室、材料加工實(shí)驗(yàn)室、鹽霧實(shí)驗(yàn)室。通過(guò)各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證，保證陶瓷材料硬度、密度、韌性、耐磨、耐腐等性能，優(yōu)化了成型、燒結(jié)和加工工藝，制作出具有高致密高性能的陶瓷模頭。
(5)完整的陶瓷生產(chǎn)線(xiàn)，具有混料-壓制-線(xiàn)割-燒結(jié)-機(jī)加工-磨削全套產(chǎn)線(xiàn)。能夠?qū)崿F(xiàn)全陶瓷模頭批量化生產(chǎn)。
目前，隨著鋰離子電池行業(yè)的快速發(fā)展，涂布模頭也朝著雙層涂布模頭、智能化閉環(huán)調(diào)節(jié)涂布模頭等方向發(fā)展。全陶瓷涂布模頭的提出代表了涂布模頭材質(zhì)選擇的一個(gè)創(chuàng)新方向，得益于陶瓷材料的獨(dú)特性能，全陶瓷涂布模頭一定會(huì)帶來(lái)一些優(yōu)勢(shì)和新的發(fā)展趨勢(shì)：
(1)高耐磨性：陶瓷材料以其高硬度和耐磨性著稱(chēng)，全陶瓷涂布模頭的使用可以顯著提高模頭的使用壽命，減少更換頻率，從而降低維護(hù)成本。
(2)優(yōu)異的耐腐蝕性：陶瓷具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，對(duì)于各種化學(xué)腐蝕介質(zhì)具有很高的抵抗能力，適合用于涂布具有腐蝕性的電池材料。
(3)陶瓷表面光滑，不易粘附涂布材料，有助于減少涂布過(guò)程中的材料損耗，并且清潔維護(hù)更為方便。
(4)高精度涂布：陶瓷材料的高精度加工技術(shù)相當(dāng)成熟，可以制造出精度極高的涂布模頭，有助于提升涂布質(zhì)量和一致性。
(5)市場(chǎng)應(yīng)用拓展：除了在鋰離子電池行業(yè)中應(yīng)用，全陶瓷涂布模頭的優(yōu)良特性也使其有潛力拓展到其他涂布領(lǐng)域，如燃料電池、半導(dǎo)體、光伏等。
曼恩斯特介紹，陶瓷模頭和金屬模頭使用對(duì)比，在使用正極三元材料同樣涂布工藝下，金屬模頭使用壽命在300萬(wàn)米左右，陶瓷達(dá)到900萬(wàn)米以上，對(duì)比金屬模頭，陶瓷模頭高耐磨方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。
圖4 曼恩斯特全陶瓷全自動(dòng)模頭高精度
通過(guò)金屬630材料和陶瓷材料干磨磨損數(shù)據(jù)對(duì)比，陶瓷材料磨損為0.001，金屬的磨損達(dá)到0.022，可以看出陶瓷磨損遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于金屬材料磨損，陶瓷磨損性能優(yōu)于金屬20倍以上。
硬度方面，通過(guò)硬度檢測(cè)，陶瓷硬度高于金屬2倍以上。
耐腐蝕方面，金屬和陶瓷在同樣工況下電化學(xué)腐蝕測(cè)試，金屬有明顯點(diǎn)腐蝕，陶瓷沒(méi)有出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。
形變方面，陶瓷材料彈性模量高于金屬材料，相同條件下陶瓷模頭受力變形小于金屬模頭變形。
抗沖擊方面，在相同工況下實(shí)驗(yàn)，金屬受碰撞變形遠(yuǎn)大于陶瓷，陶瓷抗沖擊性能力高于金屬。
以上介紹了陶瓷模頭全陶瓷材料、高耐磨、高硬度、耐腐蝕、抗變形、抗沖擊等亮點(diǎn)。針對(duì)行業(yè)的需求，他們優(yōu)先推出了4個(gè)系列全陶瓷涂布模頭產(chǎn)品，全陶瓷手動(dòng)千分尺調(diào)節(jié)系列模頭、全陶瓷電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)閉環(huán)調(diào)節(jié)系列模頭，全陶瓷雙層上下層手動(dòng)千分尺調(diào)節(jié)系列模頭、全陶瓷雙層上下層電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)系列模頭，可以匹配涂布機(jī)安裝使用，模頭長(zhǎng)度2米以下均可生產(chǎn)。
圖5 曼恩斯特全陶瓷涂布模頭系列產(chǎn)品
除此之外，曼恩斯特陶瓷材料在新能源行業(yè)還有很多應(yīng)用，包括陶瓷雙螺桿、陶瓷分散原件、陶瓷分布原件、陶瓷管件、螺桿泵陶瓷襯套、陶瓷攪拌漿等等。
期望全陶瓷涂布模頭作為一種新型材料選擇，能夠?yàn)橥坎技夹g(shù)帶來(lái)顯著進(jìn)步，并推動(dòng)鋰離子電池等相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。
