狭缝挤压涂布技术是一种先进的预计量涂布技术, 涂布时, 送入挤压模头的流体全部在基材上形成涂层. 因此, 通过浆料上料速度和涂布速度的改变就可以精确控制湿涂层的面载荷. 涂布过程如图1所示, 一定流量的浆料从挤出头上料口进入模头内部型腔, 并形成稳定的压力, 浆料最后在模头狭缝出口喷出, 涂覆在箔材上, 涂层经过烘箱进行干燥.
在涂布过程中, 由于浆料流体特性, 在涂层起始点, 终止点以及两侧边缘容易形成如图1中所示半月形特征. 涂布工艺中, 极片边缘出现的厚度突增的形貌被称为 '厚边' 现象. 这种厚边现象是不期望出现的, 并会对电池的工艺过程和电池性能和一致性导致产生问题.
图1 挤压涂布示意图
关于挤压涂布流场特性以及涂层厚边现象, 之前已发表文章进行总结, 相关阅读如下:
(1) 解析锂离子电池极片狭缝式挤压涂布流场特性
(2) 锂电池极片挤压涂布厚边现象及解决措施
锂离子电池极片的涂布通常需要生产条带状极片, 这主要通过固定在上下模头之间的垫片来设计流道, 从而实现条带状涂层制备 (如图2所示) . 垫片的形状会影响模头内流体的速度分布, 最终影响涂层的形貌, 特别是涂层边缘的形貌. 优化狭缝垫片出口形状, 可以改变浆料流动速度方向和大小, 降低边缘浆料的应力状态, 减弱或消除涂层厚边现象. 本文示例垫片形状优化为解决极片厚边现象提供参考.
图2 挤压涂布垫片示例
Gui Hua Han等人设计了四种垫片形状, 通过计算机模拟和实验相结合的方法以牛顿流体为例, 研究了垫片形状对模头出口浆料速度分布以及涂布窗口的影响. 研究中只考虑垫片中间片的形状优化 (图2) , 四种垫片规格对应的模头内流道如图3所示:
case1: 垫片宽度尺寸10mm不变, 对应的每条流道尺寸20mm不变;
case2: 垫片宽度在出口附近由5mm扩张为10mm再保持一段平行宽度;
case3: 垫片宽度在出口处由5mm直接扩张为10mm;
case4: 垫片宽度在出口附近由15mm收缩为10mm再保持一段平行宽度.
实验流体为甘油水溶液 (80:20, wt%) , 粘度为0.045 Pa∙s, 表面张力为0.066 N/m, 密度为1210kg/m3.
图3 四种垫片形状对应的流道:
(a) case1, (b) case2, (c) case3, (d) case4
图4是通过计算机模拟得到的四种规格垫片在模头出口处沿模头宽度方向的速度分布:
case1: 流道尺寸保持不变, 模头出口处宽度方向速度比较均衡;
case2: 垫片扩张, 则流道收缩, 流体在模头中间的边缘处速度速度增加;
case3: 垫片扩张, 则流道收缩, 流体在模头中间的边缘处速度速度增加, 且比case2增加更明显;
case4: 垫片收缩, 则流道扩张, 流体在模头中间的边缘处速度速度降低.
模头出口速度分布必然会影响涂层的厚度, 由于锂离子电池浆料本身性质容易导致涂层厚边现象, 从以上速度分布可见, 对于锂离子电池浆料, case4边缘处速度降低时, 能够抑制甚至消除厚边现象. 实际生产中, 可以参照以上垫片设计, 根据实际情况对工艺参数进行改善, 解决厚边现象.
图4 四种规格垫片在模头出口处沿模头宽度方向的速度分布
图5是四种规格垫片对应的流道流体应变速率分布, 与 (a) 相比较, (b) 和 (c) 的流道整体更宽些, 流体整体的应变速率更低, 而 (d) 整体流道更窄, 流体应变速率更高, 流体压力也更大. 但是 (b) (c) (d) 都存在应变速率局部较大的区域, 这些区域对于非牛顿流体的锂离子电池浆料而言, 由于应变速率变化可能会改变浆料的诸如粘度等性质.
图5 四种规格垫片对应的流道流体应变速率分布
另外, 根据模头与箔材之间的流场分析, 当流体上流道液面靠近模头唇口外侧时, 容易发生浆料漏料 (图6a所示) , 而上流道液面靠近模头唇口内侧出口时, 又容易导致流场的不稳定, 发生流场崩塌 (图6b所示) . 根据上流道液面判断涂布窗口, 发现四种规格垫片, 对应的涂布窗口范围发生了变化, 如图7所示, case2, case3, case4都缩小了涂布窗口, 对应稳定涂布工艺参数范围小了, 如果涂布不在涂布窗口操作, 涂层更容易出现更明显的不均匀现象.
图6 模头与箔材间流场示意图: (a) 上流道液面靠近模头唇口外侧, 漏料; (b) 上流道液面靠近模头唇口内侧出口, 流场崩塌
图7 四种规格垫片对应的涂布窗口
