狹縫擠壓涂布技術(shù)是一種先進(jìn)的預(yù)計(jì)量涂布技術(shù)，涂布時(shí)，送入擠壓模頭的流體全部在基材上形成涂層。因此，通過(guò)漿料上料速度和涂布速度的改變就可以精確控制濕涂層的面載荷。涂布過(guò)程如圖1所示，一定流量的漿料從擠出頭上料口進(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(guò)烘箱進(jìn)行干燥。 

在涂布過(guò)程中，由于漿料流體特性，在涂層起始點(diǎn)、終止點(diǎn)以及兩側(cè)邊緣容易形成如圖1中所示半月形特征。涂布工藝中，極片邊緣出現(xiàn)的厚度突增的形貌被稱為“厚邊”現(xiàn)象。這種厚邊現(xiàn)象是不期望出現(xiàn)的，并會(huì)對(duì)電池的工藝過(guò)程和電池性能和一致性導(dǎo)致產(chǎn)生問(wèn)題。

圖1 擠壓涂布示意圖  

關(guān)于擠壓涂布流場(chǎng)特性以及涂層厚邊現(xiàn)象，之前已發(fā)表文章進(jìn)行總結(jié)，相關(guān)閱讀《解析鋰離子電池極片狹縫式擠壓涂布流場(chǎng)特性》

鋰電池極片擠壓涂布厚邊現(xiàn)象及解決措施 

鋰離子電池極片的涂布通常需要生產(chǎn)條帶狀極片，這主要通過(guò)固定在上下模頭之間的墊片來(lái)設(shè)計(jì)流道，從而實(shí)現(xiàn)條帶狀涂層制備（如圖2所示）。墊片的形狀會(huì)影響模頭內(nèi)流體的速度分布，最終影響涂層的形貌，特別是涂層邊緣的形貌。優(yōu)化狹縫墊片出口形狀，可以改變漿料流動(dòng)速度方向和大小，降低邊緣漿料的應(yīng)力狀態(tài)，減弱或消除涂層厚邊現(xiàn)象。本文示例墊片形狀優(yōu)化為解決極片厚邊現(xiàn)象提供參考。

圖2 擠壓涂布?jí)|片示例

Gui Hua Han等人設(shè)計(jì)了四種墊片形狀，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法以牛頓流體為例，研究了墊片形狀對(duì)模頭出口漿料速度分布以及涂布窗口的影響。研究中只考慮墊片中間片的形狀優(yōu)化（圖2），四種墊片規(guī)格對(duì)應(yīng)的模頭內(nèi)流道如圖3所示： 

case1：墊片寬度尺寸10mm不變，對(duì)應(yīng)的每條流道尺寸20mm不變；

case2：墊片寬度在出口附近由5mm擴(kuò)張為10mm再保持一段平行寬度；

case3：墊片寬度在出口處由5mm直接擴(kuò)張為10mm；

case4：墊片寬度在出口附近由15mm收縮為10mm再保持一段平行寬度。 

實(shí)驗(yàn)流體為甘油水溶液（80:20，wt%），粘度為0.045 Pa?s，表面張力為0.066 N/m，密度為1210kg/m3。

圖3 四種墊片形狀對(duì)應(yīng)的流道：（a）case1，（b）case2，（c）case3，（d）case4 

圖4是通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬得到的四種規(guī)格墊片在模頭出口處沿模頭寬度方向的速度分布：

case1：流道尺寸保持不變，模頭出口處寬度方向速度比較均衡；

case2：墊片擴(kuò)張，則流道收縮，流體在模頭中間的邊緣處速度速度增加；

case3：墊片擴(kuò)張，則流道收縮，流體在模頭中間的邊緣處速度速度增加，且比case2增加更明顯；

case4：墊片收縮，則流道擴(kuò)張，流體在模頭中間的邊緣處速度速度降低。 

模頭出口速度分布必然會(huì)影響涂層的厚度，由于鋰離子電池漿料本身性質(zhì)容易導(dǎo)致涂層厚邊現(xiàn)象，從以上速度分布可見(jiàn)，對(duì)于鋰離子電池漿料，case4邊緣處速度降低時(shí)，能夠抑制甚至消除厚邊現(xiàn)象。實(shí)際生產(chǎn)中，可以參照以上墊片設(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行改善，解決厚邊現(xiàn)象。 

圖4  四種規(guī)格墊片在模頭出口處沿模頭寬度方向的速度分布 

圖5是四種規(guī)格墊片對(duì)應(yīng)的流道流體應(yīng)變速率分布，與（a）相比較，（b）和（c）的流道整體更寬些，流體整體的應(yīng)變速率更低，而（d）整體流道更窄，流體應(yīng)變速率更高，流體壓力也更大。但是（b）（c）（d）都存在應(yīng)變速率局部較大的區(qū)域，這些區(qū)域?qū)τ诜桥ｎD流體的鋰離子電池漿料而言，由于應(yīng)變速率變化可能會(huì)改變漿料的諸如粘度等性質(zhì)。

圖5 四種規(guī)格墊片對(duì)應(yīng)的流道流體應(yīng)變速率分布  

另外，根據(jù)模頭與箔材之間的流場(chǎng)分析，當(dāng)流體上流道液面靠近模頭唇口外側(cè)時(shí)，容易發(fā)生漿料漏料（圖6a所示），而上流道液面靠近模頭唇口內(nèi)側(cè)出口時(shí)，又容易導(dǎo)致流場(chǎng)的不穩(wěn)定，發(fā)生流場(chǎng)崩塌（圖6b所示）。根據(jù)上流道液面判斷涂布窗口，發(fā)現(xiàn)四種規(guī)格墊片，對(duì)應(yīng)的涂布窗口范圍發(fā)生了變化，如圖7所示，case2、case3、case4都縮小了涂布窗口，對(duì)應(yīng)穩(wěn)定涂布工藝參數(shù)范圍小了，如果涂布不在涂布窗口操作，涂層更容易出現(xiàn)更明顯的不均勻現(xiàn)象。

圖6 模頭與箔材間流場(chǎng)示意圖：（a）上流道液面靠近模頭唇口外側(cè)，漏料；（b）上流道液面靠近模頭唇口內(nèi)側(cè)出口，流場(chǎng)崩塌

圖7 四種規(guī)格墊片對(duì)應(yīng)的涂布窗口 

本文主要參考以下文獻(xiàn)整理：

[1] Han G H, Lee S H, Ahn W, et al. Effect of shim configuration on flow dynamics and operability windows in stripe slot coating process[J]. J. Coat. Technol. Res. 2014, 11(1): 19-29.

返回第一電動(dòng)網(wǎng)首頁(yè) >