圖1 擠壓涂布及模頭示意圖
要制造均勻穩定的電極涂層，涂布過程中必須滿足以下條件：
(1)漿料性質穩定，不發生沉降，粘度、固含量等不發生變化;
(2)漿料上料供應穩定，在模頭內部形成均勻穩定的流動狀態;
(3)涂布工藝在涂布窗口范圍內，在模頭與涂輥之間形成穩定的流場;
(4)走箔穩定，不發生走帶滑動、嚴重抖動和褶皺：需要有好的張力、糾偏控制。
其中，擠壓模頭的設計對涂布精度有極其重要的影響，設計時還需要考慮涂布漿料流變特性，按所提供的流變數據設計加工擠壓模頭，擠壓模頭內部型腔的幾何結構直接影響型腔的流場形態，優化結構參數能有效提高出口速度分布的均勻性。目前，國內僅有曼恩斯特等公司具有自主研發設計涂布模頭的能力，其設計優化包括：
(1)涂布模頭內部流道設計，比如梯度式、衣架式、單腔式和雙腔式等料槽結構。目標就是維持涂液在模具內的流動速度，不產生靜止區域或沉降等問題，從而確保模頭狹縫出口速度均勻保證涂層的均勻性。
(2)進料位置優化設計，比如模頭下部進料，模頭側面進料等，改變流體流動狀態確保模頭狹縫出口速度均勻。
(3)墊片結構的優化設計。
雖然優化設計模頭內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。均勻流動的關鍵是出口處的壓力、速度和體積流量的分布和穩定。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
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，當這個變量稍微發生變化時，可能就會對涂布結果產生很大的影響。因此，涂布模頭的狹縫間隙又是整個模頭的關鍵，涂布時漿料不斷流經唇口，從狹縫噴出，唇口的性能指標會直接影響涂布效果。根據鋰離子電池涂布的特點，擠壓模頭狹縫唇口應該滿足以下要求：
(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，粗糙度小(Rz 0.02μm以下)。漿料是活物質顆粒懸浮液，流經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，不會發生斷裂，要求材料抗壓強度和彎曲強度高，不會發生彎曲變形。
考慮到具體的使用環境和成本因素，我們應該根據需要合理選擇擠壓模頭的材質，通常模頭材質選擇方案包括模頭主體選擇不銹鋼，關鍵的唇口部分選擇硬質合金、鈦合金或者耐腐蝕合金等;或者模頭主體和關鍵的唇口部分都選擇硬質合金、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象，也嚴重影響了模頭的使用壽命。因此，涂布設備去金屬化勢必成為發展趨勢。
2024年4月26日，曼恩斯特以“陶瓷賦能，智能換新”為主題，發布了全自動雙層陶瓷新品模頭。這是國內首套自主研發的全陶瓷涂布模頭，這是由全陶瓷上、中、下模、電動執行機構、墊片、點膠閥、控制系統等組成的全陶瓷閉環調節涂布模頭，該模頭具有高耐磨、高硬度、耐腐蝕、變形小、抗沖擊等優點，通過全陶瓷材料實現涂布段去金屬化，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。
圖3 曼恩斯特全陶瓷閉環調節雙層涂布模頭
曼恩斯特在發布會上表明，他們在開發全陶瓷全自動新品模頭中具有5大核心優勢：
(1)強大的陶瓷材料研發團隊，具有博士、碩士、本科生等100名以上專業人員，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的開裂難題，而且單質金屬含量為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、燒結工藝、精加工等工藝。
(4)擁有行業領先的4大陶瓷科研實驗室，材料實驗室、燒結實驗室、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，優化了成型、燒結和加工工藝，制作出具有高致密高性能的陶瓷模頭。
(5)完整的陶瓷生產線，具有混料-壓制-線割-燒結-機加工-磨削全套產線。能夠實現全陶瓷模頭批量化生產。
目前，隨著鋰離子電池行業的快速發展，涂布模頭也朝著雙層涂布模頭、智能化閉環調節涂布模頭等方向發展。全陶瓷涂布模頭的提出代表了涂布模頭材質選擇的一個創新方向，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勢和新的發展趨勢：
(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)優異的耐腐蝕性：陶瓷具有良好的化學穩定性，對于各種化學腐蝕介質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，有助于提升涂布質量和一致性。
(5)市場應用拓展：除了在鋰離子電池行業中應用，全陶瓷涂布模頭的優良特性也使其有潛力拓展到其他涂布領域，如燃料電池、半導體、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據對比，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，陶瓷沒有出現腐蝕現象。
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。針對行業的需求，他們優先推出了4個系列全陶瓷涂布模頭產品，全陶瓷手動千分尺調節系列模頭、全陶瓷電動執行機構閉環調節系列模頭，全陶瓷雙層上下層手動千分尺調節系列模頭、全陶瓷雙層上下層電動執行機構調節系列模頭，可以匹配涂布機安裝使用，模頭長度2米以下均可生產。
圖5 曼恩斯特全陶瓷涂布模頭系列產品
除此之外，曼恩斯特陶瓷材料在新能源行業還有很多應用，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，能夠為涂布技術帶來顯著進步，并推動鋰離子電池等相關行業的發展。
