鋰電池極片涂布工藝模擬_模頭與箔材間流場
一般涂布工藝模擬分解成兩個步驟：（1）模頭內部流場模擬，采用層流模型，穩態求解（2）模頭與箔材之間的流場，采用層流瞬態求解器。多相流方法追蹤涂層與空氣的界面。本篇介紹第二個步驟，這是2016年做的工作。以石墨負極漿料作為研究對象，采用流體力學軟件Fluent對鋰離子電池漿料涂布的初期流場進行有限元模擬，分析漿料從模頭出口流出到涂布穩定的過程，研究涂布穩定狀態的影響因素。1 有限元模型通過實驗測定，石墨負極漿料的固體物質含量為52.0%，漿料密度為(1450±22) kg/m3。圖2(a)為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。本模擬中：H=0.20mm，w=0.55 mm，L=0.275 mm，B=250 mm，v=0.15 m/s，Q=4.8×10^-4m3/s。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 Pa，基材設定為移動壁面，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，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。 圖1 有限元幾何模型2 建模過程使用gambit繪制幾何模型并設定邊界條件，劃分網格，如圖1所示。將幾何模型導入FLUENT求解器，選擇二維隱式瞬態求解器。選擇VOF模型模擬空氣和漿料兩相流，捕捉兩相界面雷諾數比較低，選擇層流模型。設定漿料的密度和粘度。設定環境空氣的壓力，密度，并設定重力加速度。3 結果與討論3.1 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(1)估算： 式中：v為涂布速度，取值0.15 m/s；H為涂布間距，取值200×10^-6m；則γ=750 s^-1。有限元計算中假定負極漿料粘度不變化。文獻報道，在此剪切速率下，鋰離子負極漿料粘度μ為1Pa·s。涂布流場中，雷諾數Re和毛細管數Ca可分別由式(2)、式(3)定義： 式中：雷諾數Re表示流體慣性力與粘性力之比。本文中，當計算域入口速度v=0.035m/s時，雷諾數Re =0.002 4，其值遠小于1，這表明漿料沖擊基材形成的慣性力作用對流場擾動小，漿料流動狀態為層流過程。毛細管數Ca表示流體粘性力與表面力之比，本文中，Ca=3.597，由于鋰離子負極漿料粘度高，涂布過程中粘性力對流動過程的影響大于流體表面力的影響。3.2 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。涂布工藝都存在一個工藝窗口：涂布窗口就是可以進行穩定涂布，得到均勻涂層的工藝操作范圍，其受到三類因素的影響：（1）流體特性，如粘度μ、表面張力σ、密度ρ；（2）擠壓模頭幾何參數，如涂布間距H，模頭狹縫尺寸w；（3）涂布工藝參數，如涂布速度v，漿料送料流量Q等。 對于擠壓式涂布，在固定的涂布速度下，存在送料流量上限和下限，介于上下限之間的范圍即為涂布窗口。涂布窗口上限主要受到涂布液穩定性的影響，如當流量不足，或者涂布速度太快時，涂布液珠開始不穩定，容易產生空氣滲入、橫向波等缺陷。涂布窗口下限發生時，如流量過大或者涂布速度過慢，流體無法及時被帶走，涂布液珠大量累積，容易形成水窒或者垂流。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5中可知VOF=1.0和VOF=0.5~0.6時計算涂層的厚度，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。漿料入口速度由0.035 m/s降低至0.030m/s時，得到的涂層厚度減小了10×10^-6m，而入口速度增加到0.050 m/s時，涂層厚度增加了60×10^-6m。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37.54 ms。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48.75 ms，當入口速度為0.050 m/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10 ms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。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)]。流動過程動畫如下：
漿料速度0.030m/s
漿料速度0.035m/s
漿料速度0.050m/s
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