锂电池极片狭缝式挤压涂布特性解析|maxbet手机客户端

激光雕刻机 | 2021-05-28
本文摘要:锂离子电池极片填充物过程具备浆料粘度大,涂层薄,基材厚、精度拒绝高等特点,目前早已普遍使用狭缝断裂式填充物技术。

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锂离子电池极片填充物过程具备浆料粘度大,涂层薄,基材厚、精度拒绝高等特点,目前早已普遍使用狭缝断裂式填充物技术。本文主要讲解了狭缝断裂式填充物预计量式的特点与填充物量的预估方法;流体的受力情况、流场无量纲参数的含义;以及流体力学有限元对填充物流场的分析。锂离子电池是目前性能拟合的二次电池产品,在能量密度、功率密度、寿命、环境适应性、安全性和成本方面皆有较小的改良空间,锂离子动力电池是混合动力车、显电动汽车、储能系统等应用于技术和工程技术的基础。

极片制作工艺是生产锂离子动力电池的基础工艺,所以对于此环节所用设备的精度、智能化水平、生产性能的可靠性等拒绝十分低。目前,锂离子动力电池行业早已广泛使用狭缝断裂式填充物技术生产电池极片。

断裂填充物技术能取得较高精度的涂层,同时也可以用作较高粘度流体填充物,被普遍应用于柔性电子、功能薄膜、平板显示器、微纳米生产、印刷等众多领域。实际工艺过程中,填充物液的均匀分布性、稳定性、边缘和表面效应受到填充物液的历史发展特性影响,从而必要要求涂层的质量。使用理论分析、填充物实验技术、流体力学有限元技术等研究手段可以展开填充物窗口的研究,填充物窗口就是可以展开平稳填充物,获得均匀分布涂层的工艺操作者范围,其受到三类因素的影响:(1)流体特性,如粘度μ、表面张力σ、密度ρ;(2)断裂模头几何参数,如填充物间距H,模头狭缝尺寸w;(3)填充物工艺参数,如填充物速度v,浆料送料流量Q等。对于断裂式填充物,在相同的流量下,不存在一个填充物速度下限和一个填充物速度上限,介于填充物速度上上限之间的范围即为填充物窗口。

填充物窗口下限主要受到填充物液稳定性的影响,如当流量严重不足,或者填充物速度太快时,填充物液珠开始不平稳,更容易产生空气渗透到、纵向波等缺失。填充物窗口上限再次发生时,如流量过大或者填充物速度太快,流体无法及时被拿走,填充物液珠大量积累,更容易构成水药厂或者垂流。而锂离子动力电池极片填充物过程具备其自身的特点:双面单层依序填充物,即使现在市场上经常出现的双面涂布机也是两面依序展开填充物的;浆料滑涂层坚硬,一般为100~300μm;浆料为非牛顿型高粘度流体;相对于一般填充物产品而言,极片填充物精度拒绝低,和胶片填充物精度相似;填充物基材为厚度为6~30μm的铝箔或铜箔。

图1狭缝断裂式填充物示意图狭缝断裂式填充物示意图如图1右图,一定流量的浆料从断裂头上料口转入模头内部型腔,并构成平稳的压力,浆料最后在模头狭缝出口涌出,涂覆在箔材上,涂层经过烘箱展开潮湿。图2填充物外流场示意图图2为填充物平稳后断裂模头到箔材之间的流场示意图,如图2右图,基本参数主要还包括断裂模头到涂辊的间隙H、狭缝尺寸w、基材回头带上速度v,上漆流量Q、填充物湿厚h、以及涂层宽度B。狭缝断裂填充物技术是一种先进设备的预计量填充物技术。填充物时,送到断裂模头的流体全部在基材上构成涂层,因而涂层湿厚h可以根据式(1)计算出来:涂层潮湿之后,浆料中溶剂除去,腊涂层的面密度可由式(2)计算出来:其中,N为浆料中液体物质含量,ρ为浆料的密度,Scoat为涂层的面密度,将式(1)代入式(2)中,求得式(3):由式(3)可见,对于密度ρ和宜含量N一定的某一特定浆料,等价上漆速度Q、涂层宽度B、以及基材速度v时,可以准确预估涂层填充物量,而与浆料流体的历史发展特性牵涉到。

基于这一特性,涂布机可以提升自动化程度,构建智能化自动控制。根据式(2)由此可知,对于密度ρ和宜含量N一定的某一特定浆料,涂层的湿厚与涂层面密度具备线性关系,在填充物生产线上加装在线厚度检测系统,动态检测涂层的湿厚,同时将厚度信息反馈给涂布机,再对螺杆泵上漆速度展开掌控,从而调节填充物量。将浆料的密度ρ和宜含量N等特性载入系统中,填充物速度v确认后,根据式(3)可以对上料速度参数构建智能调节。

如图2右图,填充物时在狭缝外流场的浆料流动过程中,由于基材移动使浆料沿着填充物方向流动,浆料内部相对运动产生互相的剪切力起到,同时构成一个速度梯度,称之为剪切速率。剪切应力与剪切速率的比例系数即为浆料的剪切粘度。锂离子负极浆料归属于具备剪切溶解现象的非牛顿流体,粘度随着剪切速率的减少而减少。

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实际填充物工艺中,剪切速率γ可由式(4)估计:其中,v为填充物速度,给定为0.15m/s;H为模头与涂辊的间距,给定200×10-6m时,则γ=750s-1。填充物时,假设剪切速率基本不发生变化,锂离子浆料是剪切溶解的非牛顿流体,粘度μ符合指数粘弹性规律,才可由式(5)传达:其中,k为常数系数,n为指数因子,文献[7]报导,对于锂离子负极浆料,k=59.4Pa·sn,n=0.37。在填充物工艺条件的剪切速率下,锂离子负极浆料粘度μ大约为1Pa·s。

浆料在狭缝外流场流动过程中,受到相互影响的作用力,还包括由于基材移动在流体内部产生的粘性力Fv、流体表面力Fσ、流体从断裂模头流入冲击到移动的基材滑行过程所构成的惯性力Fi、流体所受到的重力Fg,单位质量流体所受到的各种作用力分别由式(6)(7)(8)(9)回应:其中,μ为浆料粘度,给定1Pa·s;ρ为浆料密度,给定1450kg/m3;;σ为浆料表面张力,0.0417N·m;v为填充物速度,0.15m/s;U为浆料在断裂模头出口速度;h为涂层湿厚。无量纲物理参数雷若数Re、弗劳德数Fr可分别由式(10)和式(11)定义。


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