在鋰離子電池工業(yè)加工上，模頭擠壓涂布由于高精度、寬涂布窗口、高可靠性等優(yōu)勢(shì)成為使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）供應(yīng)，進(jìn)入模頭內(nèi)部型腔，在涂層寬度方向平均分布，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中所示半月形特點(diǎn)。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

依據(jù)電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和對(duì)應(yīng)的工藝設(shè)計(jì)，鋰離子電池極片涂布工藝可分為繼續(xù)涂布和間歇涂布，如圖2所示，繼續(xù)涂布中，對(duì)電池性能和工藝有影響的厚邊問(wèn)題緊要在涂層兩側(cè)邊緣，而有關(guān)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)象是不期待出現(xiàn)的，并會(huì)對(duì)電池的工藝過(guò)程和電池性能和一致性萌生問(wèn)題。

圖2繼續(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

不管是繼續(xù)涂布還是間歇涂布（如圖2所示），這種半月形形貌特點(diǎn)都會(huì)嚴(yán)重影響涂層的平均性。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)致極卷萌生鼓邊現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成極片斷裂，這嚴(yán)重影響涂布收卷整潔度及其后續(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，輥壓軋輥壓力用途在極片上時(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)影響極片出產(chǎn)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)密度不平均同樣對(duì)電池性能有影響，在充放電過(guò)程中，可能出現(xiàn)電流分布不平均，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)力鋰離子電池要求高功率和高能量，電池設(shè)計(jì)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(duì)繼續(xù)涂布兩側(cè)厚邊的影響，期待理解和認(rèn)識(shí)萌生這種情況的原由。

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

為了分解涂層的邊緣效應(yīng)，作者引入一些特點(diǎn)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*含義為式（1）：

(1)

理想情況下，H*等于1，極片涂層邊緣沒(méi)有厚邊情況萌生。

公式（2）含義涂層厚邊緣的無(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，厚度值第一次測(cè)試到為H的105%時(shí)的位置含義為bEdge的起點(diǎn)，持續(xù)橫向測(cè)量厚度再變?yōu)镠時(shí)位置含義為bEdge的終點(diǎn)，如圖3所示，一般鋰離子電池涂布中H*甚至能達(dá)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(diǎn)位置為第一次測(cè)試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、寬度和梯度特點(diǎn)。

厚邊現(xiàn)象的影響因素

影響極片涂層厚邊現(xiàn)象萌生的因素緊要有幾個(gè)方面：（1）涂布模頭的幾何特點(diǎn)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

MarcelSchmitt等人鋰離子電池負(fù)極漿料涂布工藝試驗(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)影響厚邊的梯度特點(diǎn)R*，當(dāng)涂布速度新增時(shí)，R*相應(yīng)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相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式（4）：

（4）

其中，D為漿料拖曳力比值，含義為涂布速度U與漿料在出口的均勻速度USlurry比值，詳盡可由式（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*的試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖和公式預(yù)測(cè)關(guān)系，依據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式，涂布間隙新增時(shí)厚邊厚度相應(yīng)新增，但是從試驗(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(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)力用途，邊緣處漿料膨脹效應(yīng)更分明，從而導(dǎo)致厚邊現(xiàn)象萌生。另外，漿料的表面張力用途下，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)，倘若漿料里面沒(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)象萌生過(guò)程

厚邊現(xiàn)象的處理措施

涂布厚邊現(xiàn)象是一種不利的缺陷，依據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果和分解，阻止和緩解厚邊現(xiàn)象的措施有：

（1）漿料流量一按時(shí)，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(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)涂層橫向厚度不平均性，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(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)。