解析锂离子电池极片狭缝式挤压涂布流场特性

其中，雷若数Re表示流体从挤压模头流出冲击到移动的基材减速过程所形成的惯性力Fi与基材移动在流体内部产生的粘性力Fv之比。雷诺数较小时，粘性力对流场的影响大于惯性力，流场中流速的扰动会因粘性力而衰减，流体流动稳定，为层流；反之，若雷诺数较大时，惯性力对流场的影响大于粘性力力，流体流动较不稳定，流速的微小变化容易发展、增强，形成紊乱、不规则的紊流流场。本文中，当计算域入口速度v=0.035m/s时，雷诺数Re=0.0024，其值远小于1，这表明浆料冲击基材形成的惯性力影响不大，浆料流动状态稳定，为层流过程。

弗劳德数Fr是流体的惯性力与重力之比，是用来确定流体动态如急流、缓流的一个无量纲数。当Fr=1时，即流体的惯性力等于重力，流体为临界流；当Fr>1时，流体为急流，代表流速大、流体湍急的流动状态。当Fr<1时，重力起主导作用，流体为缓流。本文所示涂布参数下，Fr=0.97，浆料在流场中的状态接近为临界流。

毛细管数Ca表示由于基材移动在流体内部产生的粘性力与流体表面力之比，本文中Ca=3.597，由于锂离子负极浆料粘度高，涂布过程中粘性力对流动过程的影响大，但是在涂层边缘，表面张力的影响也显著，容易引起涂层厚边缘现象。

根据流体力学理论，通过对涂布过程的流场的受力情况和流场表征参数进行计算，我们可以初步判定流场的基本特性，理解涂布过程的现象，及涂布缺陷的产生原因。

采用FLUENT软件可以对涂布流场进行有限元模拟，计算域如图2所示。FLUENT采用有限体积法，根据质量守恒、动量守恒方程来确定流体介质的流动特征，其中，VOF模型通过求解单独的动量方程和处理穿过区域的每一流体的体积分数来模拟两种或三种不能混合的流体，追踪流体自由流动界面。涂布流场状态是不可压缩的空气和浆料气液两相流动过程，不考虑传热。假定各参数值分别为：

H=0.20mm，w=0.55mm，L=0.275mm，

极片涂层宽度B=250mm，

涂布走带速度v=0.15m/s，

浆料送料体积流量Q=4.8×10-4m3/s。

假定负极浆料密度为1450kg/m3，

表面张力σ为0.0417N/m，

与基材铜箔的静态接触角为50°，

与挤压模头外壁的接触角为60°。

观察挤压头下方流道流体的状态可以直观判定空气卷入涂层的难易程度，以及是否会发生垂流等涂布缺陷。图3b为计算域内浆料流线图，用不同颜色线条表示质点运动轨迹，将计算域内浆料的流动情况可视化。

技术大讲堂∣解析锂离子电池极片狭缝式挤压涂布流场特性

浆料流动过程中没有出现漩涡，根据式（10）可知，雷诺数较小，粘性力对流场的影响大于惯性力，流场中流速的扰动会因粘性力而衰减，流体流动稳定，为层流流动过程。从空气速度分布可知，空气容易从图4c所示流场下部分区域卷入涂层中，影响涂层质量。

流体力学有限元分析可以直观看到流体的流动状态，更形象地理解涂布流动过程。在涂布工艺挤压模头方面，采用有限元计算可以实现以下几点目的：

（1）挤压模头结构设计。为保证涂层的均匀性，必须维持涂液在模具内的流动速度，不产生静止区域或沉降等问题，从而确保模头狭缝出口速度均匀。对挤压模头内部流场进行计算可以分析涂布浆料的流动状态和狭缝出口速度分布，根据不同涂布液的特性，采用有限元分析可以计算各种不同结构的挤压模头（包括流道、唇口结构等）内流场情况，我们快速得到出口速度均匀的合适模头结构，有效缩短设计周期，降低设计成本。

（2）上下模头间的垫片结构设计。如JinGL等针对剪切稀化的非牛顿流体采用流体力学计算方法对挤压涂布垫片的结构进行了优化，结果发现如图5a所示垫片结构能够获得均匀分布出口涂布液速度。HanGH等针对锂离子电池浆料条纹涂布工艺，同样采用流体力学计算方法对均一型、扩张型、收缩型结构的挤压涂布垫片进行模拟计算。

（3）涂布工艺优化及涂布窗口确定。通过计算机模拟形象直观展示涂布过程，分析涂布缺陷产生原因和消除办法。如刘大佼等采用流体力学模型计算涂布工艺过程，对涂布窗口模拟结构和试验结果进行了对比分析。