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. 因此, 通過漿料上料速度和塗布速度的改變就可以精確控制濕塗層的面載荷. 塗布過程如圖1所示, 一定流量的漿料從擠出頭上料口進入模頭內部型腔, 並形成穩定的壓力, 漿料最後在模頭狹縫出口噴出, 塗覆在箔材上, 塗層經過烘箱進行乾燥.
在塗布過程中, 由於漿料流體特性, 在塗層起始點, 終止點以及兩側邊緣容易形成如圖1中所示半月形特徵. 塗布工藝中, 極片邊緣出現的厚度突增的形貌被稱為 '厚邊' 現象. 這種厚邊現象是不期望出現的, 並會對電池的工藝過程和電池性能和一致性導致產生問題.
圖1 擠壓塗布示意圖
關於擠壓塗布流場特性以及塗層厚邊現象, 之前已發表文章進行總結, 相關閱讀如下:
(1) 解析鋰離子電池極片狹縫式擠壓塗布流場特性
(2) 鋰電池極片擠壓塗布厚邊現象及解決措施
鋰離子電池極片的塗布通常需要生產條帶狀極片, 這主要通過固定在上下模頭之間的墊片來設計流道, 從而實現條帶狀塗層製備 (如圖2所示) . 墊片的形狀會影響模頭內流體的速度分布, 最終影響塗層的形貌, 特別是塗層邊緣的形貌. 優化狹縫墊片出口形狀, 可以改變漿料流動速度方向和大小, 降低邊緣漿料的應力狀態, 減弱或消除塗層厚邊現象. 本文示例墊片形狀優化為解決極片厚邊現象提供參考.
圖2 擠壓塗布墊片示例
Gui Hua Han等人設計了四種墊片形狀, 通過計算機類比和實驗相結合的方法以牛頓流體為例, 研究了墊片形狀對模頭出口漿料速度分布以及塗布窗口的影響. 研究中只考慮墊片中間片的形狀優化 (圖2) , 四種墊片規格對應的模頭內流道如圖3所示:
case1: 墊片寬度尺寸10mm不變, 對應的每條流道尺寸20mm不變;
case2: 墊片寬度在出口附近由5mm擴張為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.
實驗流體為甘油水溶液 (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 四種墊片形狀對應的流道:
(a) case1, (b) case2, (c) case3, (d) case4
圖4是通過計算機類比得到的四種規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影響塗層的厚度, 由於鋰離子電池漿料本身性質容易導致塗層厚邊現象, 從以上速度分布可見, 對於鋰離子電池漿料, case4邊緣處速度降低時, 能夠抑制甚至消除厚邊現象. 實際生產中, 可以參照以上墊片設計, 根據實際情況對工藝參數進行改善, 解決厚邊現象.
圖4 四種規格墊片在模頭出口處沿模頭寬度方向的速度分布
圖5是四種規格墊片對應的流道流體應變速率分布, 與 (a) 相比較, (b) 和 (c) 的流道整體更寬些, 流體整體的應變速率更低, 而 (d) 整體流道更窄, 流體應變速率更高, 流體壓力也更大. 但是 (b) (c) (d) 都存在應變速率局部較大的區域, 這些區域對於非牛頓流體的鋰離子電池漿料而言, 由於應變速率變化可能會改變漿料的諸如粘度等性質.
圖5 四種規格墊片對應的流道流體應變速率分布
另外, 根據模頭與箔材之間的流場分析, 當流體上流道液面靠近模頭唇口外側時, 容易發生漿料漏料 (圖6a所示) , 而上流道液面靠近模頭唇口內側出口時, 又容易導致流場的不穩定, 發生流場崩塌 (圖6b所示) . 根據上流道液面判斷塗布窗口, 發現四種規格墊片, 對應的塗布窗口範圍發生了變化, 如圖7所示, case2, case3, case4都縮小了塗布窗口, 對應穩定塗布工藝參數範圍小了, 如果塗布不在塗布窗口操作, 塗層更容易出現更明顯的不均勻現象.
圖6 模頭與箔材間流場示意圖: (a) 上流道液面靠近模頭唇口外側, 漏料; (b) 上流道液面靠近模頭唇口內側出口, 流場崩塌
圖7 四種規格墊片對應的塗布窗口
