锂离子电池极片狭缝式挤压涂布流场特点解析-片头模版

锂离子电池是目前性能最优的二次电池产品，在能量密度、功率密度、寿命、环境适应性、安全和本钱方面均有较大的改进空间，锂离子动力电池是稠浊动力车、纯电动汽车、储能系统等运用技能和工程技能的根本。
极片制作工艺是制造锂离子动力电池的根本工艺，以是对付此环节所用设备的精度、智能化水平、生产性能的可靠性等哀求非常高。
目前，锂离子动力电池行业已经普遍采取狭缝挤压式涂布技能制造电池极片。
挤压涂布技能能得到较高精度的涂层，同时也可以用于较高粘度流体涂布，被广泛运用于柔性电子、功能薄膜、平板显示器、微纳米制造、印刷等浩瀚领域。

实际工艺过程中，涂布液的均匀性、稳定性、边缘和表面效应受到涂布液的流变特性影响，从而直接决定涂层的质量。
采取理论剖析、涂布实验技能、流体力学有限元技能等研究手段可以进行涂布窗口的研究，涂布窗口便是可以进行稳定涂布，得到均匀涂层的工艺操作范围，其受到三类成分的影响：

(1)流体特性，如粘度μ、表面张力σ、密度ρ；

(2)挤压模头几何参数，如涂布间距H，模头狭缝尺寸w；

(3)涂布工艺参数，如涂布速率v，浆料送料流量Q等。

对付挤压式涂布，在固定的流量下，存在一个涂布速率上限和一个涂布速率下限，介于涂布速率高下限之间的范围即为涂布窗口。
涂布窗口上限紧张受到涂布液稳定性的影响，如当流量不敷，或者涂布速率太快时，涂布液珠开始不稳定，随意马虎产生空气渗入、横向波等毛病。
涂布窗口下限发生时，如流量过大或者涂布速度过慢，流体无法及时被带走，涂布液珠大量累积，随意马虎形成水窒或者垂流。

而锂离子动力电池极片涂布过程具有其自身的特点：双面单层依次涂布，纵然现在市场上涌现的双面涂布机也是两面依次进行涂布的；浆料湿涂层较厚，一样平常为 100 ~ 300 μm；浆料为非牛顿型高粘度流体；相对付一样平常涂布产品而言，极片涂布精度哀求高，和胶片涂布精度附近；涂布基材为厚度为6~ 30 μm的铝箔或铜箔。

图1 狭缝挤压式涂布示意图

狭缝挤压式涂布示意图如图1所示，一定流量的浆料从挤压头上料口进入模头内部型腔，并形成稳定的压力，浆料末了在模头狭缝出口喷出，涂覆在箔材上，涂层经由烘箱进行干燥。

图2 涂布外流场示意图

图2为涂布稳定后挤压模头到箔材之间的流场示意图，如图2所示，基本参数紧张包括挤压模头到涂辊的间隙H、狭缝尺寸w、基材走带速率v，上料流量Q、涂布湿厚h、以及涂层宽度B。
狭缝挤压涂布技能是一种前辈的估量量涂布技能。
涂布时，送入挤压模头的流体全部在基材上形成涂层，因而涂层湿厚h可以根据式(1)打算：

(1)

涂层干燥之后，浆估中溶剂去除，干涂层的面密度可由式(2)打算：

(2)

个中，N为浆估中固体物质含量，ρ为浆料的密度，Scoat 为涂层的面密度，将式(1)代入式(2)中，可得式(3)：

(3)

由式(3)可见，对付密度ρ和固含量N一定的某一特定浆料，给定上料速率Q、涂层宽度B、以及基材速率v时，可以精确预估涂层涂布量，而与浆料流体的流变特性无关。
基于这一特性，涂布机可以提高自动化程度，实现智能化自动掌握。
根据式(2)可知，对付密度ρ和固含量N一定的某一特定浆料，涂层的湿厚与涂层面密度具有线性关系，在涂布生产线上安装在线厚度检测系统，实时检测涂层的湿厚，同时将厚度信息反馈给涂布机，再对螺杆泵上料速率进行掌握，从而调节涂布量。
将浆料的密度ρ和固含量N等特性录入系统中，涂布速率v确定后，根据式(3)可以对上料速率参数实现智能调节。

如图2所示，涂布时在狭缝外流场的浆料流动过程中，由于基材移动使浆料沿着涂布方向流动，浆料内部相对运动产生相互的剪切力浸染，同时形成一个速率梯度，称剪切速率。
剪切应力与剪切速率的比例系数即为浆料的剪切粘度。
锂离子负极浆料属于具有剪切稀释征象的非牛顿流体，粘度随着剪切速率的增加而降落。
实际涂布工艺中，剪切速率γ可由式(4)估算：

(4)

个中，v为涂布速率，取值为0.15 m/s；H为模头与涂辊的间距，取值200×10-6 m时，则γ=750 s-1。
涂布时，假定剪切速率基本不发生变革，锂离子浆料是剪切稀释的非牛顿流体，粘度μ知足指数粘弹性规律，即可由式(5)表达：

(5)

个中，k为常数系数，n为指数因子，文献[7]宣布，对付锂离子负极浆料，k =59.4 Pa·sn，n =0.37。
在涂布工艺条件的剪切速率下，锂离子负极浆料粘度μ约为1Pa·s。

浆料在狭缝外流场流动过程中，受到相互影响的浸染力，包括由于基材移动在流体内部产生的粘性力Fv、流体表面力Fσ、流体从挤压模头流出冲击到移动的基材减速过程所形成的惯性力Fi、流体所受到的重力Fg，单位质量流体所受到的各种浸染力分别由式(6)(7)(8)(9)表示：

(6)

(7)

(8)

(9)

个中，μ为浆料粘度，取值1Pa·s；ρ为浆料密度，取值1450 kg/m3；；σ为浆料表面张力，0.0417 N·m；v为涂布速率，0.15m/s；U为浆料在挤压模头出口速率；h为涂层湿厚。

无量纲物理参数雷若数Re、弗劳德数Fr可分别由式(10)和式(11)定义。
假定h≈H时，毛细管数Ca可由式(12)定义：

(10)(11)(12)

个中，雷若数Re表示流体从挤压模头流出冲击到移动的基材减速过程所形成的惯性力Fi与基材移动在流体内部产生的粘性力Fv之比。
雷诺数较小时，粘性力对流场的影响大于惯性力，流场中流速的扰动会因粘性力而衰减，流体流动稳定，为层流；反之，若雷诺数较大时，惯性力对流场的影响大于粘性力力，流体流动较不稳定，流速的眇小变革随意马虎发展、增强，形成紊乱、不规则的紊流流场。
本文中，当打算域入口速率v=0.035m/s时，雷诺数Re=0.0024，其值远小于1，这表明浆料冲击基材形成的惯性力影响不大，浆料流动状态稳定，为层流过程。

弗劳德数Fr是流体的惯性力与重力之比，是用来确定流体动态如急流、缓流的一个无量纲数。
当Fr=1时，即流体的惯性力即是重力，流体为临界流；当Fr>1时，流体为急流，代表流速大、流体湍急的流动状态。
当Fr<1时，重力起主导浸染，流体为缓流。
本文所示涂布参数下，Fr=0.97，浆料在流场中的状态靠近为临界流。

毛细管数Ca表示由于基材移动在流体内部产生的粘性力与流体表面力之比，本文中Ca=3.597，由于锂离子负极浆料粘度高，涂布过程中粘性力对流动过程的影响大，但是在涂层边缘，表面张力的影响也显著，随意马虎引起涂层厚边缘征象。

根据流体力学理论，通过对涂布过程的流场的受力情形和流场表征参数进行打算，我们可以初步剖断流场的基本特性，理解涂布过程的征象，及涂布毛病的产生缘故原由。

采取FLUENT软件可以对涂布流场进行有限元仿照，打算域如图2所示。
FLUENT采取有限体积法，根据质量守恒、动量守恒方程来确定流体介质的流动特色，个中，VOF模型通过求解单独的动量方程和处理穿过区域的每一流体的体积分数来仿照两种或三种不能稠浊的流体，追踪流体自由流动界面。
涂布流场状态是不可压缩的空气和浆料气液两相流动过程，不考虑传热。
挤压模头基本几何参数见图2，假定各参数值分别为：

H=0.20 mm，w=0.55 mm，L=0.275 mm，

极片涂层宽度B=250mm，

涂布走带速率v=0.15m/s，

浆料送料体积流量Q=4.8×10-4 m3/s。

假定负极浆料密度为1450 kg/m3，

表面张力σ为0.0417 N/m，

与基材铜箔的静态打仗角为50°，

与挤压模头外壁的打仗角为60°。

图3 涂布流场仿照结果(a.浆料分布 b.流线分布单位:kg/s)

图3为涂布流场仿照结果，涂布稳定之后，打算域内浆料流体的分布情形见图3a，从图中可以得到涂层湿厚，不雅观察挤压头下方流道流体的状态可以直不雅观剖断空气卷入涂层的难易程度，以及是否会发生垂流等涂布毛病。
图3b为打算域内浆料流线图，用不同颜色线条表示质点运动轨迹，将打算域内浆料的流动情形可视化。

(a)流场上部分区域(b)狭缝出口区域(c)流场下部分区域

图4 流场仿照速率分布，赤色箭头表示浆料速率，蓝色箭头表示空气速率

图4为流场中流体速率分布状态，个中赤色表示浆料的速率分布，蓝色表示空气的速率分布情形。
从图中可以看出，浆料流动过程中没有涌现漩涡，根据式(10)可知，雷诺数较小，粘性力对流场的影响大于惯性力，流场中流速的扰动会因粘性力而衰减，流体流动稳定，为层流流动过程。
从空气速率分布可知，空气随意马虎从图4c所示流场下部分区域卷入涂层中，影响涂层质量。

流体力学有限元剖析可以直不雅观看到流体的流动状态，更形象地理解涂布流动过程。
在涂布工艺挤压模头方面，采取有限元打算可以实现以下几点目的：

(1)挤压模头构造设计。
为担保涂层的均匀性，必须坚持涂液在模具内的流动速率，不产生静止区域或沉降等问题，从而确保模头狭缝出口速率均匀。
对挤压模头内部流场进行打算可以剖析涂布浆料的流动状态和狭缝出口速率分布，根据不同涂布液的特性，采取有限元剖析可以打算各种不同构造的挤压模头(包括流道、唇口构造等)内流场情形，我们快速得到出口速率均匀的得当模头构造，有效缩短设计周期，降落设计本钱。

(2)高下模头间的垫片构造设计。
如Jin G L等针对剪切稀化的非牛顿流体采取流体力学打算方法对挤压涂布垫片的构造进行了优化，结果创造如图5a所示垫片构造能够得到均匀分布出口涂布液速率。
Han G H等针对锂离子电池浆料条纹涂布工艺，同样采取流体力学打算方法对均一型、扩展型、紧缩型构造的挤压涂布垫片进行仿照打算。

(3)涂布工艺优化及涂布窗口确定。
通过打算机仿照形象直不雅观展示涂布过程，剖析涂布毛病产生缘故原由和肃清办法。
如刘大佼等采取流体力学模型打算涂布工艺过程，对涂布窗口仿照构造和试验结果进行了比拟剖析。

图5(a)垫片构造及(b)狭缝出口速率分布

作者：巫湘坤博士（miko woo），从事事情为锂离子电池极片机理研究、设计与工艺优化

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作者：寻风kyle