鋰離子電池極片狹縫式擠壓塗布流場特性解析

　　鋰離子電池極片塗布過程具有漿料粘度大，塗層厚，基材薄
、精度要求高等特點，目前已經廣泛采用狹縫擠壓式塗布技術。本文主要介紹了狹縫擠壓式塗布預計量式的特點與塗布量的預估方法
；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塗布流場的分析。

　　鋰離子電池是目前性能最優的二次電池產品
，在能量密度
、功率密度
、壽命、環境適應性、安全和成本方麵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、儲能係統等應用技術和工程技術的基礎。極片製作工藝是製造鋰離子動力電池的基礎工藝，所以對於此環節所用設備的精度
、智能化水平
、生(sheng)產(chan)性(xing)能(neng)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)等(deng)要(yao)求(qiu)非(fei)常(chang)高(gao)。目(mu)前(qian)，鋰(li)離(li)子(zi)動(dong)力(li)電(dian)池(chi)行(xing)業(ye)已(yi)經(jing)普(pu)遍(bian)采(cai)用(yong)狹(xia)縫(feng)擠(ji)壓(ya)式(shi)塗(tu)布(bu)技(ji)術(shu)製(zhi)造(zao)電(dian)池(chi)極(ji)片(pian)。擠(ji)壓(ya)塗(tu)布(bu)技(ji)術(shu)能(neng)獲(huo)得(de)較(jiao)高(gao)精(jing)度(du)的(de)塗(tu)層(ceng)
，同(tong)時(shi)也(ye)可(ke)以(yi)用(yong)於(yu)較(jiao)高(gao)粘(zhan)度(du)流(liu)體(ti)塗(tu)布(bu)
，被(bei)廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)於(yu)柔(rou)性(xing)電(dian)子(zi)


、功能薄膜、平板顯示器、微納米製造、印刷等眾多領域。

　　實際工藝過程中，塗布液的均勻性、穩定性
、邊緣和表麵效應受到塗布液的流變特性影響，從而直接決定塗層的質量。采用理論分析、塗布實驗技術、流liu體ti力li學xue有you限xian元yuan技ji術shu等deng研yan究jiu手shou段duan可ke以yi進jin行xing塗tu布bu窗chuang口kou的de研yan究jiu，塗tu布bu窗chuang口kou就jiu是shi可ke以yi進jin行xing穩wen定ding塗tu布bu，得de到dao均jun勻yun塗tu層ceng的de工gong藝yi操cao作zuo範fan圍wei，其qi受shou到dao三san類lei因yin素su的de影ying響xiang：

　　(1)流體特性，如粘度μ、表麵張力σ、密度ρ；

　　(2)擠壓模頭幾何參數

，如塗布間距H，模頭狹縫尺寸w
；

　　(3)塗布工藝參數，如塗布速度v，漿料送料流量Q等。

　　對(dui)於(yu)擠(ji)壓(ya)式(shi)塗(tu)布(bu)
，在(zai)固(gu)定(ding)的(de)流(liu)量(liang)下(xia)
，存(cun)在(zai)一(yi)個(ge)塗(tu)布(bu)速(su)度(du)上(shang)限(xian)和(he)一(yi)個(ge)塗(tu)布(bu)速(su)度(du)下(xia)限(xian)，介(jie)於(yu)塗(tu)布(bu)速(su)度(du)上(shang)下(xia)限(xian)之(zhi)間(jian)的(de)範(fan)圍(wei)即(ji)為(wei)塗(tu)布(bu)窗(chuang)口(kou)。塗(tu)布(bu)窗(chuang)口(kou)上(shang)限(xian)主(zhu)要(yao)受(shou)到(dao)塗(tu)布(bu)液(ye)穩(wen)定(ding)性(xing)的(de)影(ying)響(xiang)
，如(ru)當(dang)流(liu)量(liang)不(bu)足(zu)

，或(huo)者(zhe)塗(tu)布(bu)速(su)度(du)太(tai)快(kuai)時(shi)，塗(tu)布(bu)液(ye)珠(zhu)開(kai)始(shi)不(bu)穩(wen)定(ding)，容(rong)易(yi)產(chan)生(sheng)空(kong)氣(qi)滲(shen)入(ru)、橫(heng)向(xiang)波(bo)等(deng)缺(que)陷(xian)。塗(tu)布(bu)窗(chuang)口(kou)下(xia)限(xian)發(fa)生(sheng)時(shi)，如(ru)流(liu)量(liang)過(guo)大(da)或(huo)者(zhe)塗(tu)布(bu)速(su)度(du)過(guo)慢(man)，流(liu)體(ti)無(wu)法(fa)及(ji)時(shi)被(bei)帶(dai)走(zou)，塗(tu)布(bu)液(ye)珠(zhu)大(da)量(liang)累(lei)積(ji)，容(rong)易(yi)形(xing)成(cheng)水(shui)窒(zhi)或(huo)者(zhe)垂(chui)流(liu)。

　　而鋰離子動力電池極片塗布過程具有其自身的特點： 雙麵單層依次塗布，即使現在市場上出現的雙麵塗布機也是兩麵依次進行塗布的； 漿料濕塗層較厚，一般為 100 ~ 300 μm； 漿料為非牛頓型高粘度流體；相對於一般塗布產品而言
，極片塗布精度要求高， 和膠片塗布精度相近

；塗布基材為厚度為6~ 30 μm的鋁箔或銅箔。 

圖1 狹縫擠壓式塗布示意圖

　　狹縫擠壓式塗布示意圖如圖1所(suo)示(shi)，一(yi)定(ding)流(liu)量(liang)的(de)漿(jiang)料(liao)從(cong)擠(ji)壓(ya)頭(tou)上(shang)料(liao)口(kou)進(jin)入(ru)模(mo)頭(tou)內(nei)部(bu)型(xing)腔(qiang)，並(bing)形(xing)成(cheng)穩(wen)定(ding)的(de)壓(ya)力(li)，漿(jiang)料(liao)最(zui)後(hou)在(zai)模(mo)頭(tou)狹(xia)縫(feng)出(chu)口(kou)噴(pen)出(chu)，塗(tu)覆(fu)在(zai)箔(bo)材(cai)上(shang)
，塗(tu)層(ceng)經(jing)過(guo)烘(hong)箱(xiang)進(jin)行(xing)幹(gan)燥(zao)。 

圖2 塗布外流場示意圖

　　圖2為塗布穩定後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塗輥的間隙H、狹縫尺寸w、基材走帶速度v，上料流量Q、塗布濕厚h、以及塗層寬度B。狹縫擠壓塗布技術是一種先進的預計量塗布技術。塗布時，送入擠壓模頭的流體全部在基材上形成塗層
， 因而塗層濕厚h可以根據式(1)計算： 

　　塗層幹燥之後，漿料中溶劑去除，幹塗層的麵密度可由式(2)計算：

　　其中
，N為漿料中固體物質含量，ρ為漿料的密度，Scoat 為塗層的麵密度
，將式(1)代入式(2)中，可得式(3)：

　　由式(3)可見，對於密度ρ和固含量N一定的某一特定漿料
，給定上料速度Q、塗層寬度B、以及基材速度v時shi，可ke以yi精jing確que預yu估gu塗tu層ceng塗tu布bu量liang，而er與yu漿jiang料liao流liu體ti的de流liu變bian特te性xing無wu關guan。基ji於yu這zhe一yi特te性xing，塗tu布bu機ji可ke以yi提ti高gao自zi動dong化hua程cheng度du
，實shi現xian智zhi能neng化hua自zi動dong控kong製zhi。根gen據ju式shi(2)可知，對於密度ρ和固含量Nyidingdemouyitedingjiangliao，tucengdeshihouyutucengmianmidujuyouxianxingguanxi，zaitubushengchanxianshanganzhuangzaixianhoudujiancexitong，shishijiancetucengdeshihou，tongshijianghouduxinxifankuigeitubuji，zaiduiluoganbengshangliaosudujinxingkongzhi，congertiaojietubuliang。jiangjiangliaodemiduρ和固含量N等特性錄入係統中

，塗布速度v確定後
，根據式(3)可以對上料速度參數實現智能調節。

　　如圖2所suo示shi，塗tu布bu時shi在zai狹xia縫feng外wai流liu場chang的de漿jiang料liao流liu動dong過guo程cheng中zhong
，由you於yu基ji材cai移yi動dong使shi漿jiang料liao沿yan著zhe塗tu布bu方fang向xiang流liu動dong，漿jiang料liao內nei部bu相xiang對dui運yun動dong產chan生sheng相xiang互hu的de剪jian切qie力li作zuo用yong，同tong時shi形xing成cheng一yi個ge速su度du梯ti度du，稱cheng剪jian切qie速su率lv。剪jian切qie應ying力li與yu剪jian切qie速su率lv的de比bi例li係xi數shu即ji為wei漿jiang料liao的de剪jian切qie粘zhan度du。鋰li離li子zi負fu極ji漿jiang料liao屬shu於yu具ju有you剪jian切qie稀xi釋shi現xian象xiang的de非fei牛niu頓dun流liu體ti，粘zhan度du隨sui著zhe剪jian切qie速su率lv的de增zeng加jia而er降jiang低di。實shi際ji塗tu布bu工gong藝yi中zhong
，剪jian切qie速su率lvγ可由式(4)估算：

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

　　其中，k為常數係數，n為指數因子
，文獻[7]報道

，對於鋰離子負極漿料，k =59.4 Pa·sn，n =0.37。在塗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，包括由於基材移動在流體內部產生的粘性力Fv、流體表麵力Fσ、流體從擠壓模頭流出衝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為漿料表麵張力，0.0417 N·m；v為塗布速度，0.15m/s；U為漿料在擠壓模頭出口速度
；h為塗層濕厚。

　　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衝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於慣性力，流場中流速的擾動會因粘性力而衰減

，流體流動穩定，為層流；反之，若雷諾數較大時
，慣性力對流場的影響大於粘性力力，流體流動較不穩定，流速的微小變化容易發展、增強
，形成紊亂
、不規則的紊流流場。本文中，當計算域入口速度v=0.035m/s時，雷諾數Re=0.0024
，其值遠小於1，這表明漿料衝擊基材形成的慣性力影響不大，漿料流動狀態穩定，為層流過程。

　　弗勞德數Fr是流體的慣性力與重力之比

，是用來確定流體動態如急流
、緩流的一個無量綱數。當Fr=1時

，即流體的慣性力等於重力
，流體為臨界流
；當Fr>1時，流體為急流
，代表流速大、流體湍急的流動狀態。當Fr<1時，重力起主導作用
，流體為緩流。本文所示塗布參數下
，Fr=0.97，漿料在流場中的狀態接近為臨界流。

　　毛細管數Ca表示由於基材移動在流體內部產生的粘性力與流體表麵力之比，本文中Ca=3.597
，由you於yu鋰li離li子zi負fu極ji漿jiang料liao粘zhan度du高gao，塗tu布bu過guo程cheng中zhong粘zhan性xing力li對dui流liu動dong過guo程cheng的de影ying響xiang大da
，但dan是shi在zai塗tu層ceng邊bian緣yuan，表biao麵mian張zhang力li的de影ying響xiang也ye顯xian著zhu
，容rong易yi引yin起qi塗tu層ceng厚hou邊bian緣yuan現xian象xiang。

　　根(gen)據(ju)流(liu)體(ti)力(li)學(xue)理(li)論(lun)，通(tong)過(guo)對(dui)塗(tu)布(bu)過(guo)程(cheng)的(de)流(liu)場(chang)的(de)受(shou)力(li)情(qing)況(kuang)和(he)流(liu)場(chang)表(biao)征(zheng)參(can)數(shu)進(jin)行(xing)計(ji)算(suan)，我(wo)們(men)可(ke)以(yi)初(chu)步(bu)判(pan)定(ding)流(liu)場(chang)的(de)基(ji)本(ben)特(te)性(xing)，理(li)解(jie)塗(tu)布(bu)過(guo)程(cheng)的(de)現(xian)象(xiang)，及(ji)塗(tu)布(bu)缺(que)陷(xian)的(de)產(chan)生(sheng)原(yuan)因(yin)。

　　采用FLUENT軟件可以對塗布流場進行有限元模擬，計算域如圖2所示。FLUENT采用有限體積法，根據質量守恒、動量守恒方程來確定流體介質的流動特征
，其中
，VOF模mo型xing通tong過guo求qiu解jie單dan獨du的de動dong量liang方fang程cheng和he處chu理li穿chuan過guo區qu域yu的de每mei一yi流liu體ti的de體ti積ji分fen數shu來lai模mo擬ni兩liang種zhong或huo三san種zhong不bu能neng混hun合he的de流liu體ti，追zhui蹤zong流liu體ti自zi由you流liu動dong界jie麵mian。塗tu布bu流liu場chang狀zhuang態tai是shi不bu可ke壓ya縮suo的de空kong氣qi和he漿jiang料liao氣qi液ye兩liang相xiang流liu動dong過guo程cheng，不bu考kao慮lv傳chuan熱re。擠ji壓ya模mo頭tou基ji本ben幾ji何he參can數shu見jian圖tu2，假定各參數值分別為：

　　H=0.20 mm，w=0.55 mm，L=0.275 mm
，

　　極片塗層寬度B=250mm，

　　塗布走帶速度v=0.15m/s，

　　漿料送料體積流量Q=4.8×10-4 m3/s。

　　假定負極漿料密度為1450 kg/m3

，

　　表麵張力σ為0.0417 N/m，

　　與基材銅箔的靜態接觸角為50°

，

　　與擠壓模頭外壁的接觸角為60°。 

圖3 塗布流場模擬結果(a.漿料分布 b.流線分布 單位:kg/s)

　　圖3為塗布流場模擬結果，塗布穩定之後，計算域內漿料流體的分布情況見圖3a
，從(cong)圖(tu)中(zhong)可(ke)以(yi)獲(huo)得(de)塗(tu)層(ceng)濕(shi)厚(hou)，觀(guan)察(cha)擠(ji)壓(ya)頭(tou)下(xia)方(fang)流(liu)道(dao)流(liu)體(ti)的(de)狀(zhuang)態(tai)可(ke)以(yi)直(zhi)觀(guan)判(pan)定(ding)空(kong)氣(qi)卷(juan)入(ru)塗(tu)層(ceng)的(de)難(nan)易(yi)程(cheng)度(du)，以(yi)及(ji)是(shi)否(fou)會(hui)發(fa)生(sheng)垂(chui)流(liu)等(deng)塗(tu)布(bu)缺(que)陷(xian)。圖(tu)3b為計算域內漿料流線圖

，用不同顏色線條表示質點運動軌跡
，將計算域內漿料的流動情況可視化。 

(a)流場上部分區域(b)狹縫出口區域(c)流場下部分區域

圖4 流場模擬速度分布，紅色箭頭表示漿料速度
，藍色箭頭表示空氣速度

　　圖4weiliuchangzhongliutisudufenbuzhuangtai，qizhonghongsebiaoshijiangliaodesudufenbu，lansebiaoshikongqidesudufenbuqingkuang。congtuzhongkeyikanchu，jiangliaoliudongguochengzhongmeiyouchuxianxuanwo
，genjushi(10)kezhi，leinuoshujiaoxiao，zhanxingliduiliuchangdeyingxiangdayuguanxingli
，liuchangzhongliusuderaodonghuiyinzhanxingliershuaijian
，liutiliudongwending，weicengliuliudongguocheng。congkongqisudufenbukezhi，kongqirongyicongtu4c所示流場下部分區域卷入塗層中

，影響塗層質量。

　　流(liu)體(ti)力(li)學(xue)有(you)限(xian)元(yuan)分(fen)析(xi)可(ke)以(yi)直(zhi)觀(guan)看(kan)到(dao)流(liu)體(ti)的(de)流(liu)動(dong)狀(zhuang)態(tai)，更(geng)形(xing)象(xiang)地(di)理(li)解(jie)塗(tu)布(bu)流(liu)動(dong)過(guo)程(cheng)。在(zai)塗(tu)布(bu)工(gong)藝(yi)擠(ji)壓(ya)模(mo)頭(tou)方(fang)麵(mian)，采(cai)用(yong)有(you)限(xian)元(yuan)計(ji)算(suan)可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)以(yi)下(xia)幾(ji)點(dian)目(mu)的(de)：

　　(1)擠ji壓ya模mo頭tou結jie構gou設she計ji。為wei保bao證zheng塗tu層ceng的de均jun勻yun性xing，必bi須xu維wei持chi塗tu液ye在zai模mo具ju內nei的de流liu動dong速su度du，不bu產chan生sheng靜jing止zhi區qu域yu或huo沉chen降jiang等deng問wen題ti，從cong而er確que保bao模mo頭tou狹xia縫feng出chu口kou速su度du均jun勻yun。對dui擠ji壓ya模mo頭tou內nei部bu流liu場chang進jin行xing計ji算suan可ke以yi分fen析xi塗tu布bu漿jiang料liao的de流liu動dong狀zhuang態tai和he狹xia縫feng出chu口kou速su度du分fen布bu，根gen據ju不bu同tong塗tu布bu液ye的de特te性xing，采cai用yong有you限xian元yuan分fen析xi可ke以yi計ji算suan各ge種zhong不bu同tong結jie構gou的de擠ji壓ya模mo頭tou(包括流道
、唇口結構等)內流場情況，我們快速得到出口速度均勻的合適模頭結構
，有效縮短設計周期，降低設計成本。

　　(2)上下模頭間的墊片結構設計。如Jin G L等針對剪切稀化的非牛頓流體采用流體力學計算方法對擠壓塗布墊片的結構進行了優化
，結果發現如圖5a所示墊片結構能夠獲得均勻分布出口塗布液速度。Han G H等針對鋰離子電池漿料條紋塗布工藝，同樣采用流體力學計算方法對均一型、擴張型、收縮型結構的擠壓塗布墊片進行模擬計算。

　　(3)塗tu布bu工gong藝yi優you化hua及ji塗tu布bu窗chuang口kou確que定ding。通tong過guo計ji算suan機ji模mo擬ni形xing象xiang直zhi觀guan展zhan示shi塗tu布bu過guo程cheng，分fen析xi塗tu布bu缺que陷xian產chan生sheng原yuan因yin和he消xiao除chu辦ban法fa。如ru劉liu大da佼jiao等deng采cai用yong流liu體ti力li學xue模mo型xing計ji算suan塗tu布bu工gong藝yi過guo程cheng，對dui塗tu布bu窗chuang口kou模mo擬ni結jie構gou和he試shi驗yan結jie果guo進jin行xing了le對dui比bi分fen析xi。 

圖5(a)墊片結構及(b)狹縫出口速度分布