在鋰離子電池工業(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)點成為應用最廣泛的涂布方式。如圖1所示，漿料由精確的進料系統(tǒng)（如螺桿泵）供應，進入模頭內(nèi)部型腔，在涂層寬度方向均勻分布，最后漿料受擠壓通過模頭狹縫，在移動的基材上形成涂層。由于漿料流體特性，在涂層起始點、終止點以及兩側(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)計和對應的工藝設(shè)計，鋰離子電池極片涂布工藝可分為持續(xù)涂布和間歇涂布，如圖2所示，持續(xù)涂布中，對電池性能和工藝有影響的厚邊問題重要在涂層兩側(cè)邊緣，而關(guān)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，并會對電池的工藝過程和電池性能和一致性產(chǎn)生問題。

圖2持續(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

不管是持續(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嚴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，成百上千層極片收成一卷，涂層側(cè)面邊緣厚度凸起線累積成幾毫米，導致極卷產(chǎn)生鼓邊現(xiàn)象，嚴重時會造成極片斷裂，這嚴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，邊緣厚度大的區(qū)域承受更大的軋制力，從而導致極片輥壓壓實橫向密度不一致，一方面這會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、卷繞等工藝過程中，極片張力分布不均衡，極片收放卷對齊度無法保證，這也會影響極片加工尺寸，容易出現(xiàn)不良品。

厚邊現(xiàn)象造成的極片厚度、壓實密度不均勻同樣對電池性能有影響，在充放電過程中，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)計時，切除極片邊緣來消除這種厚邊的不利影響。而動力鋰電池要求高功率和高能量，電池設(shè)計往往要保留涂層邊緣，因此，厚邊現(xiàn)象更受關(guān)注，MarcelSchmitt等人就研究了涂布工藝參數(shù)對持續(xù)涂布兩側(cè)厚邊的影響，期望理解和認識產(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，作者引入一些特征參數(shù)來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），而涂層凸起點的厚度為HEdge，無量綱厚度H*含義為式（1）：

(1)

理想情況下，H*等于1，極片涂層邊緣沒有厚邊情況產(chǎn)生。

公式（2）含義涂層厚邊緣的無量綱寬度：

(2)

其中，B*為厚邊緣的無量綱寬度，BEdge為厚度凸起的涂層寬度，測量涂層的厚度，厚度值第一次檢測到為H的105%時的位置含義為BEdge的起點，繼續(xù)橫向測量厚度再變?yōu)镠時位置含義為BEdge的終點，如圖3所示，一般鋰離子電池涂布中H*甚至能達到10以上。而厚邊涂層的梯度R*含義為式（3）：

（3）

其中，BStep的終點位置為第一次檢測極片厚度為集流體厚度的105%的位置。

以上三個無量綱參數(shù)用來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)生的因素重要有幾個方面：（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二維截面示意圖

（1）涂布速度的影響

MarcelSchmitt等人鋰離子電池負極漿料涂布工藝實驗研究發(fā)現(xiàn)，涂布速度對厚邊的無量綱厚度和寬度幾乎沒有影響，而會影響厚邊的梯度特征R*，當涂布速度新增時，R*相應新增，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)驗公式（4）：

（4）

其中，D為漿料拖曳力比值，含義為涂布速度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，厚邊涂層厚度與無量綱涂布間隙G*相關(guān)。

圖6為無量綱涂布間隙G*與厚邊無量綱厚度H*的實驗數(shù)據(jù)圖和公式預測關(guān)系，根據(jù)經(jīng)驗公式，涂布間隙新增時厚邊厚度相應新增，但是從實驗數(shù)據(jù)來看相關(guān)性不是特別大。而隨著涂布間隙新增，厚邊涂層的寬度新增，如圖7所示。因此，減低涂布間隙是抑制厚邊現(xiàn)象的一個有效措施。

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)對厚邊也具有巨大影響，一方面從模頭擠壓噴出時，粘彈性漿料流體會發(fā)生膨脹，由于受到模頭邊緣壁面的額外應力作用，邊緣處漿料膨脹效應更明顯，從而導致厚邊現(xiàn)象產(chǎn)生。另外，漿料的表面張力作用下，涂層在干燥過程中發(fā)生流延也會造成厚邊現(xiàn)象。如圖8所示，涂層干燥時，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，假如漿料里面沒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，漿料向邊緣流動，最終導致厚邊現(xiàn)象。

圖8干燥過程中厚邊現(xiàn)象產(chǎn)生過程

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)以上實驗結(jié)果和分析，阻止和緩解厚邊現(xiàn)象的措施有：

（1）漿料流量一按時，減小狹縫尺寸能夠新增漿料在模頭的出口速度，從而降低漿料的拖曳力比值D，進而減小厚邊涂層的無量綱厚度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，改變漿料流動速度方向和大小，降低邊緣漿料的應力狀態(tài)，減弱漿料邊緣膨脹效應。