锂电池极片涂布工艺模拟-片头模版

本篇先容第二个步骤，这是2016年做的事情。
以石墨负极浆料作为研究工具，采取流体力学软件Fluent对锂离子电池浆料涂布的初期流场进行有限元仿照，剖析浆料从模头出口流出到涂布稳定的过程，研究涂布稳定状态的影响成分。

1 有限元模型

通过实验测定，石墨负极浆料的固体物质含量为52.0%，浆料密度为(1450±22) kg/m3。
图2(a)为模头与基材间的流场示意图，紧张参数包括涂布间隙H、狭缝尺寸w、涂布速率v、上料流量Q、涂布湿厚h以及涂层宽度B。
本仿照中：H=0.20mm，w=0.55 mm，L=0.275 mm，B=250 mm，v=0.15 m/s，Q=4.8×10^-4m3/s。

采取流体力学有限元软件Fluent6.3.26对挤压模头与涂辊之间的外流场进行流动状态仿照，涂布流场如图2(a)所示。
以挤出模头狭缝内部为打算区域1，狭缝出口与基材间的外部区域为打算域2，如图2(b)所示，采取二维平面模型，打算域入口设定为速率入口，出口设定为压力出口，压力值为101325 Pa，基材设定为移动壁面，移动速率即涂布速率v，模头外壁等其他边界设定静止边界条件。
打算域网格划分如图2(c)所示，网格均匀尺寸为0.01mm。

涂布流场状态是不可压缩的空气和浆料两相非定常流动过程，不考虑传热过程。
采取VOF模型追踪浆料自由流动界面，由于浆料和空气粘度差异大，选择CICSAM界面捕捉技能。
假定负极浆料与基材铜箔的静态打仗角为50°，与挤出模头外壁的打仗角为60°。
初始时候浆料液体充满挤出模头狭缝[图2(b)中surface1区]，但没有溢出狭缝外侧，涂布流场开始打算后，浆料以稳定的速率从狭缝流出。

图1 有限元几何模型

2 建模过程

利用gambit绘制几何模型并设定边界条件，划分网格，如图1所示。
将几何模型导入FLUENT求解器，选择二维隐式瞬态求解器。

选择VOF模型仿照空气和浆料两相流，捕捉两相界面

雷诺数比较低，选择层流模型。

设定浆料的密度和粘度。

设定环境空气的压力，密度，并设定重力加速度。

3 结果与谈论

3.1 流场初步剖析

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、流体表面力、流体从挤出模头流出冲击到移动的基材减速过程所形成的惯性力、流体所受到的重力。
实际涂布工艺中，剪切速率γ可由式(1)估算：

式中：v为涂布速率，取值0.15 m/s；H为涂布间距，取值200×10^-6m；则γ=750 s^-1。
有限元打算中假定负极浆料粘度不变革。
文献宣布，在此剪切速率下，锂离子负极浆料粘度μ为1Pa·s。

涂布流场中，雷诺数Re和毛细管数Ca可分别由式(2)、式(3)定义：

式中：雷诺数Re表示流体惯性力与粘性力之比。
本文中，当打算域入口速率v=0.035m/s时，雷诺数Re =0.002 4，其值远小于1，这表明浆料冲击基材形成的惯性力浸染对流场扰动小，浆料流动状态为层流过程。
毛细管数Ca表示流体粘性力与表面力之比，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于流体表面力的影响。

3.2 仿照结果

仿照过程中粘度采取层流模型，仿照中假定负极浆料粘度不变革，所采取的负极浆料物料参数、模头几何参数以及工艺参数见表1，个中浆料入口速率选取0.030、0.035和0.050m/s三个值，研究工艺参数对涂布结果的影响。

涂布工艺都存在一个工艺窗口：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，在固定的涂布速率下，存在送料流量上限和下限，介于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。

图5、图6、图7分别为入口速率为0.030、0.035和0.050m/s时涂布开始至涂布流场稳定过程中不同时候浆料的流动状态。
流场稳定后，出口处浆料沿x轴方向体积分数(VOF)分布如图8所示，由图5中可知VOF=1.0和VOF=0.5~0.6时打算涂层的厚度，结果列入表2，同时不同速率条件下流场雷诺数Re、流场稳定韶光t均列入表2。

浆料入口速率由0.035 m/s降落至0.030m/s时，得到的涂层厚度减小了10×10^-6m，而入口速率增加到0.050 m/s时，涂层厚度增加了60×10^-6m。

当入口速率为0.035m/s时，从打算开始至流场稳定的韶光最小，为37.54 ms。
无论入口速率增加还是降落，涂布流场稳定韶光都有所增加，当入口速率为0.030m/s时，流场稳定韶光为48.75 ms，当入口速率为0.050 m/s时，流场稳定韶光为63.46ms。

入口速率为0.030m/s时，涂布开始后10 ms时候，狭缝流出的浆料添补在模头与基材之间[图5(a)]，同时基材沿y轴正向移动，所产生的粘性力使浆料跟随基材移动，由于基材移动带走的浆料无法及时得到补充，大量空气卷入涂层[图5(b)]，卷入空气的浆料末了在基材上形成图5(c)所示涂层。
随着浆料的不断供应，流场上流道区域(y>0)基本稳定，流场下流道区域(y <0)也由繁芜状态逐步趋于稳定，如图5(d)所示，末了形成比较稳定的涂布流场[图5(e)]。

入口速率为0.035m/s时，浆料添补模头与基材之间区域后[图6(a)]，基材所带走的浆料能够及时充足补充，涂层中不会卷入大量的空气，下流道流场很快达到了稳定状态[图6(b)]，上流道流场在重力滋扰下会产生不稳定状态[图6(b)和(c)]，但是随着涂布不断进行，上流道也很快达到稳定状态[图6(d)和(e)]。
因此这种条件下，涂布流场稳定韶光短，这是最佳的涂布工艺操作范围。

入口速率为0.050m/s时，浆料供应充足，不会从下流道流场卷入大量空气[图7(a)和(b)]，下流道流场能较快达到稳定状态[图7(b)]。
但是由于入口速率较大，形成比较厚的涂层(表2)，上流道流场随意马虎受到重力影响，须要较永劫光达到稳定[图7(c)]，厚涂层形成缺口导致上流道流场很快崩塌[图7(d)]，经历较永劫光，约63.46ms，涂布流场达到稳定状态[图7(e)]。

来源：锂想生活

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