鋰離子電池極片狹縫式擠壓涂布流場特性解析

鋰離子電池極片涂布過程具有漿料粘度大，涂層厚，基材薄、精度要求高等特點(diǎn)，目前已經(jīng)廣泛采用狹縫擠壓式涂布技術(shù)。本文主要介紹了狹縫擠壓式涂布預(yù)計(jì)量式的特點(diǎn)與涂布量的預(yù)估方法；流體的受力情況、流場無量綱參數(shù)的含義；以及流體力學(xué)有限元對涂布流場的分析。

鋰離子電池是目前性能最優(yōu)的二次電池產(chǎn)品，在能量密度、功率密度、壽命、環(huán)境適應(yīng)性、安全和成本方面均有較大的改進(jìn)空間，鋰離子動力電池是混合動力車、純電動汽車、儲能系統(tǒng)等應(yīng)用技術(shù)和工程技術(shù)的基礎(chǔ)。極片制作工藝是制造鋰離子動力電池的基礎(chǔ)工藝，所以對于此環(huán)節(jié)所用設(shè)備的精度、智能化水平、生產(chǎn)性能的可靠性等要求非常高。目前，鋰離子動力電池行業(yè)已經(jīng)普遍采用狹縫擠壓式涂布技術(shù)制造電池極片。擠壓涂布技術(shù)能獲得較高精度的涂層，同時(shí)也可以用于較高粘度流體涂布，被廣泛應(yīng)用于柔性電子、功能薄膜、平板顯示器、微納米制造、印刷等眾多領(lǐng)域。

實(shí)際工藝過程中，涂布液的均勻性、穩(wěn)定性、邊緣和表面效應(yīng)受到涂布液的流變特性影響，從而直接決定涂層的質(zhì)量。采用理論分析、涂布實(shí)驗(yàn)技術(shù)、流體力學(xué)有限元技術(shù)等研究手段可以進(jìn)行涂布窗口的研究，涂布窗口就是可以進(jìn)行穩(wěn)定涂布，得到均勻涂層的工藝操作范圍，其受到三類因素的影響：

(1)流體特性，如粘度μ、表面張力σ、密度ρ；

(2)擠壓模頭幾何參數(shù)，如涂布間距H，模頭狹縫尺寸w；

(3)涂布工藝參數(shù)，如涂布速度v，漿料送料流量Q等。

對于擠壓式涂布，在固定的流量下，存在一個涂布速度上限和一個涂布速度下限，介于涂布速度上下限之間的范圍即為涂布窗口。涂布窗口上限主要受到涂布液穩(wěn)定性的影響，如當(dāng)流量不足，或者涂布速度太快時(shí)，涂布液珠開始不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生空氣滲入、橫向波等缺陷。涂布窗口下限發(fā)生時(shí)，如流量過大或者涂布速度過慢，流體無法及時(shí)被帶走，涂布液珠大量累積，容易形成水窒或者垂流。

而鋰離子動力電池極片涂布過程具有其自身的特點(diǎn)： 雙面單層依次涂布，即使現(xiàn)在市場上出現(xiàn)的雙面涂布機(jī)也是兩面依次進(jìn)行涂布的； 漿料濕涂層較厚，一般為 100 ~ 300 μm； 漿料為非牛頓型高粘度流體；相對于一般涂布產(chǎn)品而言，極片涂布精度要求高， 和膠片涂布精度相近；涂布基材為厚度為6~ 30 μm的鋁箔或銅箔。

圖1 狹縫擠壓式涂布示意圖

狹縫擠壓式涂布示意圖如圖1所示，一定流量的漿料從擠壓頭上料口進(jìn)入模頭內(nèi)部型腔，并形成穩(wěn)定的壓力，漿料最后在模頭狹縫出口噴出，涂覆在箔材上，涂層經(jīng)過烘箱進(jìn)行干燥。