在鋰離子電池電極制造工藝中，擠壓涂布是目前主流的電極涂敷工藝。與逗號刮刀或輥涂相比，這種預(yù)計量涂布方法的優(yōu)點是計量精確、工藝參數(shù)易于控制及其封閉式系統(tǒng)可以減少環(huán)境對漿料的影響。
在擠壓涂布系統(tǒng)中，涂布模頭是最重要的一個組成部分。如圖1所示，涂布模頭一般包括上模和下模，上模和/或下模中加工出一定幾何形狀的腔室，上模、下模和墊片組裝在一起形成涂布狹縫。漿料從進料口泵入模頭內(nèi)部腔室中，然后從涂布狹縫中流出，在模頭唇口形成速度、流量和壓力分布均勻的流體，再轉(zhuǎn)移到箔材上。
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，涂布過程中必須滿足以下條件：
（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；
（4）走箔穩(wěn)定，不發(fā)生走帶滑動、嚴重抖動和褶皺：需要有好的張力、糾偏控制。
其中，擠壓模頭的設(shè)計對涂布精度有極其重要的影響，設(shè)計時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，國內(nèi)僅有曼恩斯特等公司具有自主研發(fā)設(shè)計涂布模頭的能力，其設(shè)計優(yōu)化包括：
（1）涂布模頭內(nèi)部流道設(shè)計，比如梯度式、衣架式、單腔式和雙腔式等料槽結(jié)構(gòu)。目標就是維持涂液在模具內(nèi)的流動速度，不產(chǎn)生靜止區(qū)域或沉降等問題，從而確保模頭狹縫出口速度均勻保證涂層的均勻性。
（2）進料位置優(yōu)化設(shè)計，比如模頭下部進料，模頭側(cè)面進料等，改變流體流動狀態(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。
雖然優(yōu)化設(shè)計模頭內(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的流動狀態(tài)。均勻流動的關(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為狹縫流動方向的長度，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，當這個變量稍微發(fā)生變化時，可能就會對涂布結(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模頭的關(guān)鍵，涂布時漿料不斷流經(jīng)唇口，從狹縫噴出，唇口的性能指標會直接影響涂布效果。根據(jù)鋰離子電池涂布的特點，擠壓模頭狹縫唇口應(yīng)該滿足以下要求：
（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，對刃口的尺寸要求也很高，比如唇口要求鋒利，達到微米級精度；刃口直線度高（小于2μm/m）。
（2）狹縫平臺表面光潔，粗糙度?。≧z 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。正負極漿料是由固體顆粒組成的懸浮液，在涂布過程中漿料在壓力作用下不斷從狹縫唇口噴出，固體顆粒會對狹縫表面形成磨粒磨損，這就要求唇口材料硬度高，耐磨，能夠長期使用。
（4）耐腐蝕。鋰離子電池漿料里面往往包含有機溶劑，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，不會發(fā)生斷裂，要求材料抗壓強度和彎曲強度高，不會發(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，也嚴重影響了模頭的使用壽命。因此，涂布設(shè)備去金屬化勢必成為發(fā)展趨勢。
2024年4月26日，曼恩斯特以“陶瓷賦能，智能換新”為主題，發(fā)布了全自動雙層陶瓷新品模頭。這是國內(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、電動執(zhí)行機構(gòu)、墊片、點膠閥、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，通過全陶瓷材料實現(xiàn)涂布段去金屬化，使得漿料在涂布過程中，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入漿料，也不會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)布會上表明，他們在開發(fā)全陶瓷全自動新品模頭中具有5大核心優(yōu)勢：
（1）強大的陶瓷材料研發(fā)團隊，具有博士、碩士、本科生等100名以上專業(yè)人員，申請了多項專利。
（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)的開裂難題，而且單質(zhì)金屬含量為0，沒有任何對電池有害元素。
（3）自研陶瓷加工工藝，采用共沉淀法，合成納米陶瓷粉體，通過砂磨機研磨，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大陶瓷科研實驗室，材料實驗室、燒結(jié)實驗室、材料加工實驗室、鹽霧實驗室。通過各項實驗測試驗證，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，具有混料-壓制-線割-燒結(jié)-機加工-磨削全套產(chǎn)線。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)選擇的一個創(chuàng)新方向，得益于陶瓷材料的獨特性能，全陶瓷涂布模頭一定會帶來一些優(yōu)勢和新的發(fā)展趨勢：
（1）高耐磨性：陶瓷材料以其高硬度和耐磨性著稱，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，從而降低維護成本。
（2）優(yōu)異的耐腐蝕性：陶瓷具有良好的化學穩(wěn)定性，對于各種化學腐蝕介質(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，有助于減少涂布過程中的材料損耗，并且清潔維護更為方便。
（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300萬米左右，陶瓷達到900萬米以上，對比金屬模頭，陶瓷模頭高耐磨方面具有顯著優(yōu)勢。
圖4 曼恩斯特全陶瓷全自動模頭高精度
通過金屬630材料和陶瓷材料干磨磨損數(shù)據(jù)對比，陶瓷材料磨損為0.001，金屬的磨損達到0.022，可以看出陶瓷磨損遠遠小于金屬材料磨損，陶瓷磨損性能優(yōu)于金屬20倍以上。
硬度方面，通過硬度檢測，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腐蝕測試，金屬有明顯點腐蝕，陶瓷沒有出現(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，在相同工況下實驗，金屬受碰撞變形遠大于陶瓷，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。針對行業(yè)的需求，他們優(yōu)先推出了4個系列全陶瓷涂布模頭產(chǎn)品，全陶瓷手動千分尺調(diào)節(jié)系列模頭、全陶瓷電動執(zhí)行機構(gòu)閉環(huán)調(diào)節(jié)系列模頭，全陶瓷雙層上下層手動千分尺調(diào)節(jié)系列模頭、全陶瓷雙層上下層電動執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié)系列模頭，可以匹配涂布機安裝使用，模頭長度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，能夠為涂布技術(shù)帶來顯著進步，并推動鋰離子電池等相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。
