鋰電池極板結構與製程操控技術：材料世界網

鋰電池製程技術未來發展趨勢是朝向高塗重極板、高安全性功能層、高速塗佈、寬幅增加、同時多層極板技術等。為了因應各式各樣的鋰電池結構製作，工研院材化所建立精密塗佈產品技術開發平台，同時也擁有精密流變儀量測分析技術、精密塗佈加工技術、精密模具與塗層乾燥設計與模擬分析技術，可提供國內相關業者產品開發所需要的支援，以加快產品研發速度。

本文將從以下大綱，介紹鋰電池製作程序中電極結構層製作的漿料配置特性、塗佈、乾燥程序與輾壓等技術，並探討每一製程與鋰電池產品之關聯性。

‧前言

‧鋰電池製程技術

　1. 鋰電池漿料配置與特性

　2. 極板塗佈與乾燥製程

　3. 極板孔隙度操控

　4. 特殊導電黏著功能性塗層應用於鋰電池極板

　5. 固態電解質膜製程

‧結論

【內文精選】

鋰電池結構隨著功能要求日趨增加與多樣，其製作的思考方式已不是以單一塗層結構即可完成。以多次塗佈(Coating)與乾燥(Drying)的方法製作雙層或多層結構的複合極板，日漸被國際大廠所開發並應用在鋰電池商品中。施以雙層同時塗佈技術除了可以達到節省程序、提升品質與良率的優點外，同時搭配漿料調整可使極板發揮更多結構設計變化與功能，且輾壓製程的操控與優化可使極板的體積能量密度更提升。

鋰電池製程技術

鋰電池的製作流程基本上可分為漿料配方設計與分散、電極板塗佈與乾燥、極板輾壓、極板裁切、電池組裝、電解液灌注、電池封裝後進行電池化成等程序；其中又以漿料配置、極板塗佈與乾燥、極板輾壓影響電池最終特性最為重要。以下對於鋰電池漿料特性與塗佈製程關係、極板塗佈與乾燥製程、極板孔隙度操控、特殊導電黏著功能性塗層應用於鋰電池極板、固態電解質膜製程分別加以說明。

2. 極板塗佈與乾燥製程

隨著電池各項特性的要求向上提升，加入各式功能層的鋰電池結構設計也需要利用多層塗佈技術實現。例如以雙活物的雙層極板結構設計來達到鋰電池兼具高能量高功率；將具有安全機制的塗層加入電池結構中，如TOC (Thermal Tolerance Coating)、STOBA (Self Terminated Olygomers with Hyper-branched Architecture)、PTC (Positive Temperature Coefficient)或HRL (Heat Resistant Layer)等可增加或保護電池性能；以雙層結構改善極板內黏結劑分布不均勻現象；增加活物與集流體間接著的導電碳層。另一方面，極板塗佈與乾燥製程會發現存在有高塗重的厚膜極板脆裂、接著性差、塗膜脫落、黏合劑分散不均勻導致電池電阻增加與性能裂化的品質問題。

利用模擬技術可快速有效地將塗層結構的厚度比與製程參數對應，判斷驗證實際是否可穩定成膜。將雙層電池結構的電池極板以間欠塗佈方式進行塗佈模具設計與驗證為例（圖二），上下層結構為高厚度比時，將上下塗層漿料的黏度匹配性調整，使得塗膜在均勻性與成膜性達到設計優化，塗膜於塗佈速度與流量在目標要求下時，可以穩定的塗佈成膜與快速的將塗液進行斷膜，在間欠塗佈區域產生完整起始(Start-up)與收尾(Ending)的鋰電池極板。

圖二、鋰電池雙層間欠塗佈模擬

極板於R2R (Roll to Roll)製作程序中，乾燥製程為產能速率決定步驟，若是速度太快，塗膜可能在出烘箱時尚未達到乾燥完成，但是若速度太慢則可能造成烘箱的能耗浪費。我們建立乾燥曲線可以描述塗膜於烘箱內的乾燥過程狀態，以圖三說明輸入烘箱的乾燥條件、塗佈條件、漿料特性，經由計算結果可以得到塗膜在烘箱內的溶劑含量和塗膜表面溫度之變化值。經由調控乾燥參數可以將定義乾燥點的位置做調整以達到最適值，如提高乾燥溫度組合可以將曲線乾燥點往前移、當塗膜厚度增加時會導致曲線乾燥點往烘箱後移、提高漿料的固含量亦會將曲線乾燥點往前移、若曲線乾燥點在烘箱前段則可升速而不影響乾燥結果。此乾燥曲線分析可協助國內產業界提升產速，並透過最佳參數設計達到降低成本的目的。