锂离子电池浆料狭缝式涂布初期流场模拟研究

  摘要:锂离子动力电池极片涂布过程具有浆料粘度大、涂层厚、基材薄、精度要求高等特点,目前广泛采用狭缝挤压式涂布技术。采用实验和流体力学有限元分析方法对锂离子电池负极浆料在铜箔基材上的狭缝式涂布初期流场进行分析,结果表明模拟得到的涂层厚度与实验结果吻合,说明计算模型可靠。当浆料入口速度为0.035 m/s时,外流场区域被基材带走的浆料能及时得到补充,上流道和下流道均能在最短的时间内稳定,这是最佳的涂布操作工艺范围。

  钜大锂电表示极片制作工艺是制造锂离子动力电池的基础工艺,对设备的精度、智能化水平、生产性能的可靠性等要求非常高。目前,锂离子动力电池行业已经普遍采用狭缝挤压式涂布技术。狭缝式涂布是一种先进的预计量涂布技术,送入挤压模头的流体全部在基材上形成涂层,对于给定的上料速度、涂层宽度、基材速度,可以较精确地预估涂层涂布量,而与浆料流体的流变特性无关。但是实际工艺过程中,涂布液的均匀性、稳定性、边缘和表面效应受到涂布液的流变特性影响,从而直接决定涂层的质量。锂离子动力电池极片涂布过程具有自身的特点:双面单层依次涂布;浆料湿涂层较厚,一般为100~300μm;极片涂布精度要求高;涂布基材为厚度6~30 μm的铝箔或铜箔。针对锂离子电池极片涂布特点的研究报道相对比较少。Schmit等研究了锂离子电池负极浆料挤压式涂布过程中涂层边缘的稳定性,发现了间歇涂布和连续涂布工艺中涂层厚边缘的现象,并分析了工艺参数对厚边现象的影响。后来,他们又建立了一套实验装置,在挤压式间歇涂布过程中测量浆料流体的压降,并研究了流体压降和涂层湿厚的关系。

  本文以锂离子动力电池石墨负极浆料作为研究对象,分析负极极片生产的基本质量情况,观察涂布开始时段的极片形貌,同时采用流体力学软件Fluent对锂离子电池浆料涂布初期流场进行有限元模拟,分析从涂布开始时刻到涂布稳定时刻的浆料流动过程,从而直观地观察浆料涂布状态,研究涂布稳定状态的影响因素,为涂布工艺优化提供理论支持。

  1实验方法及有限元模型

  1.1实验方法

  我公司组建了日产20000 Ah的锂离子电池生产示范线。负极浆料搅拌机为自制G45-100-2D-DZ型真空搅拌机,有效容积100L。负极涂布机为自制M12-650B-4C-DZ型狭缝挤压式涂布机。涂布上料系统采用日本兵神公司的2NBL20F型螺杆泵。采用某款圆腔单槽式模头进行涂布,将上模头、0.55mm厚的狭缝垫片、下模头装配完成后放置在水平台,使用KEYENCE公司的VHX-1000型光学显微镜拍摄测量狭缝尺寸[图1(a)],结果如图1(b)所示,狭缝平均尺寸w为(543.5±7.5)μm,狭缝中间尺寸小、两侧尺寸略大,此狭缝尺寸分布能够获得均匀的涂层。

  将石墨、导电剂、羧甲基纤维素钠(CMC)、丁苯橡胶(SBR)和蒸馏水混合搅拌,制备锂离子电池负极浆料,每批次浆料体积68L,固体物质含量为52.0%,浆料密度为(1 450±22) kg/m3。涂布基材为厚度10 μm的铜箔,面密度为8.9 mg/cm2。涂布正式开始前,首先打开螺杆泵送料,堵住模头狭缝出口,打开模头回料阀,使浆料在模头内循环20min,确保模头空腔充满流体。图2(a)为涂布稳定后模头与基材间的流场示意图,主要参数包括涂布间隙H、狭缝尺寸w、涂布速度v、上料流量Q、涂布湿厚h以及涂层宽度B。本实验中: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。A面和B面涂布时均将长度约500 m的极片收成一卷,并作为一个批次,对首尾极片裁切,取直径d=60 mm的圆形极片样品,测量样品质量M,根据式(1)计算涂层的面密度。


发表于:[2018年06月11日]