摘要：鋰離子動力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，目前廣泛采用狹縫擠壓式涂布技術。采用實驗和流體力學有限元分析方法對鋰離子電池負極漿料在銅箔基材上的狹縫式涂布初期流場進行分析，結果表明模擬得到的涂層厚度與實驗結果吻合，說明計算模型可靠。當漿料入口速度為0.035m/s時，外流場區域被基材帶走的漿料能及時得到補充，上流道和下流道均能在最短的時間內穩定，這是最佳的涂布操作工藝范圍。

極片制作工藝是制造鋰離子動力電池的基礎工藝，對設備的精度、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已經普遍采用狹縫擠壓式涂布技術。狹縫式涂布是一種先進的預計量涂布技術，送入擠壓模頭的流體全部在基材上形成涂層，對于給定的上料速度、涂層寬度、基材速度，可以較精確地預估涂層涂布量，而與漿料流體的流變特性無關。但是實際工藝過程中，涂布液的均勻性、穩定性、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。鋰離子動力電池極片涂布過程具有自身的特點：雙面單層依次涂布；漿料濕涂層較厚，一般為100~300μm；極片涂布精度要求高；涂布基材為厚度6~30μm的鋁箔或銅箔。針對鋰離子電池極片涂布特點的研究報道相對比較少。Schmit等研究了鋰離子電池負極漿料擠壓式涂布過程中涂層邊緣的穩定性，發現了間歇涂布和連續涂布工藝中涂層厚邊緣的現象，并分析了工藝參數對厚邊現象的影響。后來，他們又建立了一套實驗裝置，在擠壓式間歇涂布過程中測量漿料流體的壓降，并研究了流體壓降和涂層濕厚的關系。

本文以鋰離子動力電池石墨負極漿料作為研究對象，分析負極極片生產的基本質量情況，觀察涂布開始時段的極片形貌，同時采用流體力學軟件Fluent對鋰離子電池漿料涂布初期流場進行有限元模擬，分析從涂布開始時刻到涂布穩定時刻的漿料流動過程，從而直觀地觀察漿料涂布狀態，研究涂布穩定狀態的影響因素，為涂布工藝優化提供理論支持。

1實驗方法及有限元模型

1.1實驗方法

我公司組建了日產20000Ah的鋰離子電池生產示范線。負極漿料攪拌機為自制G45-100-2D-DZ型真空攪拌機，有效容積100L。負極涂布機為自制M12-650B-4C-DZ型狹縫擠壓式涂布機。涂布上料系統采用日本兵神公司的2NBL20F型螺桿泵。采用某款圓腔單槽式模頭進行涂布，將上模頭、0.55mm厚的狹縫墊片、下模頭裝配完成后放置在水平臺，使用KEYENCE公司的VHX-1000型光學顯微鏡拍攝測量狹縫尺寸[圖1(a)]，結果如圖1(b)所示，狹縫平均尺寸w為(543.5±7.5)μm，狹縫中間尺寸小、兩側尺寸略大，此狹縫尺寸分布能夠獲得均勻的涂層。

將石墨、導電劑、羧甲基纖維素鈉(CMC)、丁苯橡膠(SBR)和蒸餾水混合攪拌，制備鋰離子電池負極漿料，每批次漿料體積68L，固體物質含量為52.0%，漿料密度為(1450±22)kg/m3。涂布基材為厚度10μm的銅箔，面密度為8.9mg/cm2。涂布正式開始前，首先打開螺桿泵送料，堵住模頭狹縫出口，打開模頭回料閥，使漿料在模頭內循環20min，確保模頭空腔充滿流體。圖2(a)為涂布穩定后模頭與基材間的流場示意圖，主要參數包括涂布間隙H、狹縫尺寸w、涂布速度v、上料流量Q、涂布濕厚h以及涂層寬度B。本實驗中：H=0.20mm，w=0.55mm，L=0.275mm，B=250mm，v=0.15m/s，Q=4.8×10－4m3/s。A面和B面涂布時均將長度約500m的極片收成一卷，并作為一個批次，對首尾極片裁切，取直徑d=60mm的圓形極片樣品，測量樣品質量M，根據式(1)計算涂層的面密度。

(1)

式中：Scoat為涂層的面密度；Scopper為基材銅箔的面密度。

1.2有限元模型

采用流體力學有限元軟件Fluent6.3.26對擠壓模頭與涂輥之間的外流場進行流動狀態模擬，涂布流場如圖2(a)所示。以擠出模頭狹縫內部為計算區域1，狹縫出口與基材間的外部區域為計算域2，如圖2(b)所示，采用二維平面模型，計算域入口設定為速度入口，出口設定為壓力出口，壓力值為101325Pa，基材設定為移動邊界，移動速度即涂布速度v，模頭外壁等其他邊界設定靜止邊界條件。計算域網格劃分如圖2(c)所示，網格平均尺寸為0.01mm。

涂布流場狀態是不可壓縮的空氣和漿料兩相非定常流動過程，不考慮傳熱過程。采用VOF模型追蹤漿料自由流動界面[7]，由于漿料和空氣粘度差異大，選擇CICSAM界面捕捉技術。假定負極漿料與基材銅箔的靜態接觸角為50°，與擠出模頭外壁的接觸角為60°。初始時刻漿料液體充滿擠出模頭狹縫[圖2(b)中surface1區]，但沒有溢出狹縫外側，涂布流場開始計算后，漿料以穩定的速度從狹縫流出。

2結果與討論

2.1實驗結果

圖3為涂布制備的負極極片的A面和AB兩面的涂布面密度各批次分布情況，A面涂層面密度為(9.67±0.067)mg/cm2，AB兩面涂層面密度為(19.32±0.084)mg/cm2，極片涂布量均勻一致，滿足極片質量要求，這說明涂布工藝穩定可靠。

圖4為涂布初始階段的極片涂層形貌，極片0cm處是涂布開始位置，涂布開始時刻，輸送的漿料沒有形成穩定供應，模頭狹縫流出漿料，在極片上形成斷斷續續的涂層，隨著涂布進行，漿料供應逐步穩定，涂層不斷相互連接，未涂布區域逐漸減少。極片90cm處，極片上形成穩定的涂層。涂布速度為0.15m/s，從涂布開始到涂布穩定共耗時6s。這個過程包含兩個階段：(1)漿料在管道和擠出模頭空腔內形成穩定的漿料流動狀態，在狹縫出口形成穩定的漿料流出速度，即擠出模頭內部流場的穩定流動過程；(2)漿料流出模頭狹縫，與基材相互作用，漿料由于基材的移動產生粘性力，在基材表面蔓延，最后形成穩定的涂層，即擠出模頭外流場的穩定流動過程。

2.2流場初步分析

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、流體表面力、流體從擠出模頭流出沖擊到移動的基材減速過程所形成的慣性力、流體所受到的重力。實際涂布工藝中，剪切速率γ可由式(2)估算：

2.3模擬結果

模擬過程中粘度采用層流模型，模擬中假定負極漿料粘度不變化，所采用的負極漿料物料參數、模頭幾何參數以及工藝參數見表1，其中漿料入口速度選取0.030、0.035和0.050m/s三個值，研究工藝參數對涂布結果的影響。

圖5、圖6、圖7分別為入口速度為0.030、0.035和0.050m/s時涂布開始至涂布流場穩定過程中不同時刻漿料的流動狀態。流場穩定后，出口處漿料沿x軸方向體積分數(VOF)分布如圖8所示，由圖8中可知VOF=1.0和VOF=0.5~0.6時涂層的厚度，結果列入表2，同時不同速度條件下流場雷諾數Re、流場穩定時間t均列入表2。本文生產實際中，漿料流量Q為4.8×10－4m3/s，狹縫和涂層的寬度B為0.25m，實際漿料狹縫流出速度U=Q/(Bw)，為0.035m/s。因而涂層濕厚h可以根據式(5)計算：

當入口速度為0.035m/s時，從計算開始至流場穩定的時間最小，為37.54ms，實驗中形成均勻涂層所需時間為6s(圖4)，遠大于模擬流場的穩定時間。這是由于實際涂布中，穩定階段包括模頭內流場的穩定和模頭外流場的穩定，但本計算主要模擬外流場的穩定過程。無論入口速度增加還是降低，涂布流場穩定時間都有所增加，當入口速度為0.030m/s時，流場穩定時間為48.75ms，當入口速度為0.050m/s時，流場穩定時間為63.46ms。

入口速度為0.030m/s時，涂布開始后10ms時刻，狹縫流出的漿料填充在模頭與基材之間[圖5(a)]，同時基材沿y軸正向移動，所產生的粘性力使漿料跟隨基材移動，由于基材移動帶走的漿料無法及時得到補充，大量空氣卷入涂層[圖5(b)]，卷入空氣的漿料最后在基材上形成圖5(c)所示涂層，其形貌與圖4所示涂層形貌相似。隨著漿料的不斷供應，流場上流道區域(y>0)基本穩定，流場下流道區域(y<0)也由復雜狀態逐步趨于穩定，如圖5(d)所示，最后形成比較穩定的涂布流場[圖5(e)]。

入口速度為0.035m/s時，漿料填充模頭與基材之間區域后[圖6(a)]，基材所帶走的漿料能夠及時充足補充，涂層中不會卷入大量的空氣，下流道流場很快達到了穩定狀態[圖6(b)]，上流道流場在重力干擾下會產生不穩定狀態[圖6(b)和(c)]，但是隨著涂布不斷進行，上流道也很快達到穩定狀態[圖6(d)和(e)]。因此這種條件下，涂布流場穩定時間短，這是最佳的涂布工藝操作范圍。

入口速度為0.050m/s時，漿料供應充足，不會從下流道流場卷入大量空氣[圖7(a)和(b)]，下流道流場能較快達到穩定狀態[圖7(b)]。但是由于入口速度較大，形成比較厚的涂層(表2)，上流道流場容易受到重力影響，需要較長時間達到穩定[圖7(c)]，厚涂層形成缺口導致上流道流場很快崩塌[圖7(d)]，經歷較長時間，約63.46ms，涂布流場達到穩定狀態[圖7(e)]。

3結論

通過以上實驗和有限元分析結果，得出以下結論：

(1)采用擠壓式涂布機在銅箔上涂布鋰離子電池負極漿料，A面涂層面密度為(9.67±0.067)mg/cm2，AB兩面涂層面密度為(19.32±0.084)mg/cm2，極片涂布量均勻一致，涂布工藝穩定可靠。

(2)采用流體力學有限元軟件Fluent模擬涂布外流場漿料流動狀態，模擬得到的涂層厚度與實驗結果吻合，說明計算模型可靠。

(3)模擬了入口速度分別為0.030、0.035和0.050m/s時涂布初期流場狀態。當入口速度為0.030m/s時，開始階段漿料來不及供應基材移動所帶走的漿料，下流道區域涂層中卷入大量空氣，導致上下流道流體狀態復雜，涂布流場需要較長時間才能穩定。而當入口速度為0.050m/s時，漿料供應充足，下流道能夠較快達到穩定，但是上流道由于涂層厚，需要較長時間達到穩定態。當入口速度為0.035m/s時，涂布流場較快達到穩定態，所需時間最短，這是最佳涂布工藝操作范圍。