锂电池阴阳极涂布制作工艺

　　锂电池阴阳极之涂布

　　关于涂布部分，如涂液具有切变稀化及屈服应力等特别之非牛顿流体现象，文献上已有相当的文献讨论具此等特性涂液相关之狭缝式涂布模具设计，但在实际操作上，如涂液在模具内分流管两端因流动较慢，内壁应力(wall stress)如小于屈服应力，则会呈现涂液静止不动之现象，会因此而造成涂布不均或涂液在模具内质量劣化等现象。本实验室以小型T-die进行流场观测实验，如图6所示，本实验在模具侧面加装一开口，以增加涂液在模具两侧的流动速度，由图可知，若将侧面开口之阀门开启，可有效改善涂液在模具内累积、静止不动及流速慢而造成涂布不均的现象。

　　图6 模具加装侧边开口防止涂液累积照片

　　本实验室对于含高成份固体颗粒涂液之模具设计，提出一简单和有效的新方式，其概念如图7所示，基本上模具本体包含四部份，公母模皆为平板，易于加工，而另二片模具夹片，则视涂液之流变特性而设计，设计之目标主要有二，一为保持涂膜之均匀性，一则维持涂液在模具内之高流动速度，不致产生静止区域或沈淀等问题。在实务操作涂布宽度可能因产品规格不同，而有不同之变化，因模具造价很高，不可能一种涂膜宽度用一只特定之模具，模具必须有操作弹性，一只模具应能适用不同宽度之产品。实务操作上，工程师多以夹片塞边来调整宽度，但会改变涂膜均匀度及操作不便，用本实验室所提出新颖的概念，只需设计制作两片特定之夹片即可 (AB Die)，模具操作弹性，但此二夹片之设计，则需有完整之涂液流变量据及理论设计基础，研究结果显示，本实验室设计制作之AB Die可使流体在模具内流动具有较大的切变率，有效改善高固含量悬浮涂液在模具内沉淀的问题，且能维持涂膜之高均匀度，可做为具粒子涂液之产品如灯箱片、LCD扩散膜、锂电池阴阳极、透明导电膜等湿式制程之模具参考。

　　图7 含高成份固体颗粒涂液之模具设计

　　锂电池阴阳极之干燥

　　对于锂电池阴阳极涂布后干燥而言，其目的有二，一为提升干燥效率，即提高干燥温度以增加产能，二为改善电池之质量。目前锂电池阴阳极之干燥温度在110-120℃之间，本实验室经研究发现如提升干燥温度至150℃，虽可加快生产速度，提高产能，但会造成因快速干燥，烘干之涂层中，黏着剂大都移于上层，而颗粒则多分布于干燥后涂层之下层，称为binder migration，如图8所示。

　　图8 binder migration示意图

　　此一分离现象会大幅降低电池之性能。本实验室提出一个创新的做法解决此一问题，即用如图9所示之双层同时涂布之狭缝式模具来解决此一问题，原来之成份一分为二，在涂布时下层会有较多之黏着剂，而上层会有较多之颗粒，但是二层同时涂布烘干时，其固体成份与原来之成份相同，在高温干燥过程中，很难防止binder migration的发生，但是因原来上层较少黏着剂而下层有较多颗粒，反而因binder migration造成黏着剂在二合为一的涂层中具较均匀之分布。当然要形成黏着剂分布并非易事，但经数次实验，即可抓出大致调整成份比例的方向，而使黏着剂分布大为改善，进而改善电极在电化学上之表现。同时双层涂布对锂电池的好处，除上述藉高温提升升产效率之外，还可以大幅改善电池之表现。

　　图9 双层涂布示意图

　　如上所述锂电池阴阳极之成份如表2所示，相当复杂，但每种成份各有其功能。从配方与涂布之经验法则可知，如把所有成份混在一层，其个别成份之功能一定会下降，如能使其分层涂布，干燥后再连结成一体，则其功能可有较佳之成果，本实验室完成了一些评估，即将奈米级与微米级的碳黑材料分于二层，涂布于基材，再比较其与将二种碳黑材料混于一层之结果相比较，本实验室所设计之实验有四种安排，如图10所示，涂布干燥后测其电性表现，如图11所示，由图可知双层涂布之结果远佳于单层涂布，此为同时双层涂布之另一功能。

　　图10 锂电池涂布实验设计

　　图11 电池不同放电电流测试(C-rate)，双层极板四在2C到3C时效果最佳

　　本文以锂电池之制作，说明加工技术与产品物性之间的关系，虽然锂电池之加工技术，主要为涂布，但是为求达成制作良好电性之锂电池阴阳极，必须充分了解原料与产品之物性，才能选择设计良好之加工技术。对锂电池阴阳极之涂布加工制作而言，如果涂料各成份不能均匀混合，再优良的涂布技术，也制作不出性能极佳之电池，所以本实验室提出一种能以三维观点有效混合涂料的方法。在涂布方面，碍于涂料复杂之流变特性，本实验室分析了模具内如分流管边端太大，涂液呈现静止流动之状况及改善之道。对于提高干燥温度，以图改进生产良率所造成binder migration之现象，本实验室提出了以二层同时涂布的方式解决此一问题。双层同时涂布对锂电池之表现另有一好处，即将功能不同之成份分二层涂布制作，可有效改善锂电池之性质。

　　本文的重点，在于说明针对产品之特性，提出有效先进的加工方式，是改进产品性质之极佳方式。

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