鋰電池陰陽(yáng)極之涂布

關(guān)于涂布部分，如涂液具有切變稀化及屈服應(yīng)力等特別之非牛頓流體現(xiàn)象，文獻(xiàn)上已有相當(dāng)?shù)奈墨I(xiàn)討論具此等特性涂液相關(guān)之狹縫式涂布模具設(shè)計(jì)，但在實(shí)際操作上，如涂液在模具內(nèi)分流管兩端因流動(dòng)較慢，內(nèi)壁應(yīng)力(wallstress)如小于屈服應(yīng)力，則會(huì)呈現(xiàn)涂液靜止不動(dòng)之現(xiàn)象，會(huì)因此而造成涂布不均或涂液在模具內(nèi)質(zhì)量劣化等現(xiàn)象。本實(shí)驗(yàn)室以小型T-die進(jìn)行流場(chǎng)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，如圖6所示，本實(shí)驗(yàn)在模具側(cè)面加裝一開(kāi)口，以增加涂液在模具兩側(cè)的流動(dòng)速度，由圖可知，若將側(cè)面開(kāi)口之閥門(mén)開(kāi)啟，可有效改善涂液在模具內(nèi)累積、靜止不動(dòng)及流速慢而造成涂布不均的現(xiàn)象。

圖6模具加裝側(cè)邊開(kāi)口防止涂液累積照片

本實(shí)驗(yàn)室對(duì)于含高成份固體顆粒涂液之模具設(shè)計(jì)，提出一簡(jiǎn)單和有效的新方式，其概念如圖7所示，基本上模具本體包含四部份，公母模皆為平板，易于加工，而另二片模具夾片，則視涂液之流變特性而設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)之目標(biāo)主要有二，一為保持涂膜之均勻性，一則維持涂液在模具內(nèi)之高流動(dòng)速度，不致產(chǎn)生靜止區(qū)域或沈淀等問(wèn)題。在實(shí)務(wù)操作涂布寬度可能因產(chǎn)品規(guī)格不同，而有不同之變化，因模具造價(jià)很高，不可能一種涂膜寬度用一只特定之模具，模具必須有操作彈性，一只模具應(yīng)能適用不同寬度之產(chǎn)品。實(shí)務(wù)操作上，工程師多以?shī)A片塞邊來(lái)調(diào)整寬度，但會(huì)改變涂膜均勻度及操作不便，用本實(shí)驗(yàn)室所提出新穎的概念，只需設(shè)計(jì)制作兩片特定之夾片即可(ABDie)，模具操作彈性，但此二夾片之設(shè)計(jì)，則需有完整之涂液流變量據(jù)及理論設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，研究結(jié)果顯示，本實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)制作之ABDie可使流體在模具內(nèi)流動(dòng)具有較大的切變率，有效改善高固含量懸浮涂液在模具內(nèi)沉淀的問(wèn)題，且能維持涂膜之高均勻度，可做為具粒子涂液之產(chǎn)品如燈箱片、LCD擴(kuò)散膜、鋰電池陰陽(yáng)極、透明導(dǎo)電膜等濕式制程之模具參考。

圖7含高成份固體顆粒涂液之模具設(shè)計(jì)

鋰電池陰陽(yáng)極之干燥

對(duì)于鋰電池陰陽(yáng)極涂布后干燥而言，其目的有二，一為提升干燥效率，即提高干燥溫度以增加產(chǎn)能，二為改善電池之質(zhì)量。目前鋰電池陰陽(yáng)極之干燥溫度在110-120℃之間，本實(shí)驗(yàn)室經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)如提升干燥溫度至150℃，雖可加快生產(chǎn)速度，提高產(chǎn)能，但會(huì)造成因快速干燥，烘干之涂層中，黏著劑大都移于上層，而顆粒則多分布于干燥后涂層之下層，稱為bindermigration，如圖8所示。

圖8bindermigration示意圖

此一分離現(xiàn)象會(huì)大幅降低電池之性能。本實(shí)驗(yàn)室提出一個(gè)創(chuàng)新的做法解決此一問(wèn)題，即用如圖9所示之雙層同時(shí)涂布之狹縫式模具來(lái)解決此一問(wèn)題，原來(lái)之成份一分為二，在涂布時(shí)下層會(huì)有較多之黏著劑，而上層會(huì)有較多之顆粒，但是二層同時(shí)涂布烘干時(shí)，其固體成份與原來(lái)之成份相同，在高溫干燥過(guò)程中，很難防止bindermigration的發(fā)生，但是因原來(lái)上層較少黏著劑而下層有較多顆粒，反而因bindermigration造成黏著劑在二合為一的涂層中具較均勻之分布。當(dāng)然要形成黏著劑分布并非易事，但經(jīng)數(shù)次實(shí)驗(yàn)，即可抓出大致調(diào)整成份比例的方向，而使黏著劑分布大為改善，進(jìn)而改善電極在電化學(xué)上之表現(xiàn)。同時(shí)雙層涂布對(duì)鋰電池的好處，除上述藉高溫提升升產(chǎn)效率之外，還可以大幅改善電池之表現(xiàn)。

圖9雙層涂布示意圖

如上所述鋰電池陰陽(yáng)極之成份如表2所示，相當(dāng)復(fù)雜，但每種成份各有其功能。從配方與涂布之經(jīng)驗(yàn)法則可知，如把所有成份混在一層，其個(gè)別成份之功能一定會(huì)下降，如能使其分層涂布，干燥后再連結(jié)成一體，則其功能可有較佳之成果，本實(shí)驗(yàn)室完成了一些評(píng)估，即將奈米級(jí)與微米級(jí)的碳黑材料分于二層，涂布于基材，再比較其與將二種碳黑材料混于一層之結(jié)果相比較，本實(shí)驗(yàn)室所設(shè)計(jì)之實(shí)驗(yàn)有四種安排，如圖10所示，涂布干燥后測(cè)其電性表現(xiàn)，如圖11所示，由圖可知雙層涂布之結(jié)果遠(yuǎn)佳于單層涂布，此為同時(shí)雙層涂布之另一功能。

圖10鋰電池涂布實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖11電池不同放電電流測(cè)試(C-rate)，雙層極板四在2C到3C時(shí)效果最佳

本文以鋰電池之制作，說(shuō)明加工技術(shù)與產(chǎn)品物性之間的關(guān)系，雖然鋰電池之加工技術(shù)，主要為涂布，但是為求達(dá)成制作良好電性之鋰電池陰陽(yáng)極，必須充分了解原料與產(chǎn)品之物性，才能選擇設(shè)計(jì)良好之加工技術(shù)。對(duì)鋰電池陰陽(yáng)極之涂布加工制作而言，如果涂料各成份不能均勻混合，再優(yōu)良的涂布技術(shù)，也制作不出性能極佳之電池，所以本實(shí)驗(yàn)室提出一種能以三維觀點(diǎn)有效混合涂料的方法。在涂布方面，礙于涂料復(fù)雜之流變特性，本實(shí)驗(yàn)室分析了模具內(nèi)如分流管邊端太大，涂液呈現(xiàn)靜止流動(dòng)之狀況及改善之道。對(duì)于提高干燥溫度，以圖改進(jìn)生產(chǎn)良率所造成bindermigration之現(xiàn)象，本實(shí)驗(yàn)室提出了以二層同時(shí)涂布的方式解決此一問(wèn)題。雙層同時(shí)涂布對(duì)鋰電池之表現(xiàn)另有一好處，即將功能不同之成份分二層涂布制作，可有效改善鋰電池之性質(zhì)。

本文的重點(diǎn)，在于說(shuō)明針對(duì)產(chǎn)品之特性，提出有效先進(jìn)的加工方式，是改進(jìn)產(chǎn)品性質(zhì)之極佳方式。