鋰電池極片狹縫式擠壓涂布特性解析

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，目前已經廣泛采用狹縫擠壓式涂布技術。本文主要介紹了狹縫擠壓式涂布預計量式的特點與涂布量的預估方法；流體的受力情況、流場無量綱參數的含義；以及流體力學有限元對涂布流場的分析。

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

實際工藝過程中，涂布液的均勻性、穩(wěn)定性、邊緣和表面效應受到涂布液的流變特性影響，從而直接決定涂層的質量。采用理論分析、涂布實驗技術、流體力學有限元技術等研究手段可以進行涂布窗口的研究，涂布窗口就是可以進行穩(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，如涂布間距H，模頭狹縫尺寸w；

(3)涂布工藝參數，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，如當流量不足，或者涂布速度太快時，涂布液珠開始不穩(wěn)定，容易產生空氣滲入、橫向波等缺陷。涂布窗口下限發(fā)生時，如流量過大或者涂布速度過慢，流體無法及時被帶走，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 雙面單層依次涂布，即使現在市場上出現的雙面涂布機也是兩面依次進行涂布的； 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入模頭內部型腔，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，涂層經過烘箱進行干燥。

圖2 涂布外流場示意圖

圖2為涂布穩(wěn)定后擠壓模頭到箔材之間的流場示意圖，如圖2所示，基本參數主要包括擠壓模頭到涂輥的間隙H、狹縫尺寸w、基材走帶速度v，上料流量Q、涂布濕厚h、以及涂層寬度B。狹縫擠壓涂布技術是一種先進的預計量涂布技術。涂布時，送入擠壓模頭的流體全部在基材上形成涂層， 因而涂層濕厚h可以根據式(1)計算

涂層干燥之后，漿料中溶劑去除，干涂層的面密度可由式(2)計算

其中，N為漿料中固體物質含量，ρ為漿料的密度，Scoat 為涂層的面密度，將式(1)代入式(2)中，可得式(3)

由式(3)可見，對于密度ρ和固含量N一定的某一特定漿料，給定上料速度Q、涂層寬度B、以及基材速度v時，可以精確預估涂層涂布量，而與漿料流體的流變特性無關。基于這一特性，涂布機可以提高自動化程度，實現智能化自動控制。根據式(2)可知，對于密度ρ和固含量N一定的某一特定漿料，涂層的濕厚與涂層面密度具有線性關系，在涂布生產線上安裝在線厚度檢測系統(tǒng)，實時檢測涂層的濕厚，同時將厚度信息反饋給涂布機，再對螺桿泵上料速度進行控制，從而調節(jié)涂布量。將漿料的密度ρ和固含量N等特性錄入系統(tǒng)中，涂布速度v確定后，根據式(3)可以對上料速度參數實現智能調節(jié)。

如圖2所示，涂布時在狹縫外流場的漿料流動過程中，由于基材移動使?jié){料沿著涂布方向流動，漿料內部相對運動產生相互的剪切力作用，同時形成一個速度梯度，稱剪切速率。剪切應力與剪切速率的比例系數即為漿料的剪切粘度。鋰離子負極漿料屬于具有剪切稀釋現象的非牛頓流體，粘度隨著剪切速率的增加而降低。實際涂布工藝中，剪切速率γ可由式(4)估算

其中，v為涂布速度，取值為0.15 m/s；H為模頭與涂輥的間距，取值200×10-6 m時，則γ=750 s-1。涂布時，假定剪切速率基本不發(fā)生變化，鋰離子漿料是剪切稀釋的非牛頓流體，粘度μ滿足指數粘彈性規(guī)律，即可由式(5)表達

其中，k為常數系數，n為指數因子，文獻[7]報道，對于鋰離子負極漿料，k =59.4 Pa·sn，n =0.37。在涂布工藝條件的剪切速率下，鋰離子負極漿料粘度μ約為1Pa·s。

漿料在狹縫外流場流動過程中，受到相互影響的作用力，包括由于基材移動在流體內部產生的粘性力Fv、流體表面力Fσ、流體從擠壓模頭流出沖擊到移動的基材減速過程所形成的慣性力Fi、流體所受到的重力Fg，單位質量流體所受到的各種作用力分別由式(6)(7)(8)(9)表示

其中，μ為漿料粘度，取值1Pa·s；ρ為漿料密度，取值1450 kg/m3；；σ為漿料表面張力，0.0417 N·m；v為涂布速度，0.15m/s；U為漿料在擠壓模頭出口速度；h為涂層濕厚。

無量綱物理參數雷若數Re、弗勞德數Fr可分別由式(10)和式(11)定義。假定h≈H時，毛細管數Ca可由式(12)定義

其中，雷若數Re表示流體從擠壓模頭流出沖擊到移動的基材減速過程所形成的慣性力Fi與基材移動在流體內部產生的粘性力Fv之比。雷諾數較小時，粘性力對流場的影響大于慣性力，流場中流速的擾動會因粘性力而衰減，流體流動穩(wěn)定，為層流；反之，若雷諾數較大時，慣性力對流場的影響大于粘性力力，流體流動較不穩(wěn)定，流速的微小變化容易發(fā)展、增強，形成紊亂、不規(guī)則的紊流流場。本文中，當計算域入口速度v=0.035m/s時，雷諾數Re=0.0024，其值遠小于1，這表明漿料沖擊基材形成的慣性力影響不大，漿料流動狀態(tài)穩(wěn)定，為層流過程。

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