CN115945353A - 一种用于锂电池浆料的涂布模头及v角确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于锂电池浆料的涂布模头及V角确定方法，上游模和下游模之间设有双腔涂布组件，所述双腔涂布组件包括主腔，主腔的一侧设有副腔，副腔的一侧设有狭缝区，流体进口通道和主腔连通，所述主腔包括左主腔和右主腔，左主腔和右主腔的腔体中心线所构成的主腔夹角为V角。本发明结合流体仿真、实际生产、试验设计，确定不同n值下的最佳V角，最终得出n‑V分布曲线，从而根据浆料n值确定V角大小，在保证出口速度均匀性的基础上，涂抹的均匀性和涂布厚度的横向分布也得到保证。用于指导模头设计工作，即得到浆料粘度实验数据，拟合得到n值，即可通过n‑V分布曲线确定模头设计V角，便能够获得较佳涂布效果。

Description

一种用于锂电池浆料的涂布模头及V角确定方法

技术领域

本发明涉及涂布技术领域，特别涉及一种用于锂电池浆料的涂布模头及V角确定方法。

背景技术

锂电池浆料是由液体、固体颗粒组成的混合物，正极固体颗粒有锂三元、磷酸铁锂、钛酸锂等，负极固体颗粒主要为石墨；浆料液体主要为NMP、PVDF、CMC等液体。浆料在模头内流动，属于流体力学的范畴，不同浆料在本文指的是浆料粘度不同，在流体力学上，可以认为具有相同粘度表达式的浆料是同种浆料，因为表现出来的力学性质相同。

涂布过程是生产锂电池极片的关键工序之一，涂布质量的好坏很大程度决定了锂电池的电容、电压等重要参数，其中浆料涂布厚度的均匀性是涂布质量的重要体现。影响涂布厚度均匀性的因素主要有挤压模头型腔出口速度的横向一致性、基材的平面度、浆料的均匀性以及表面张力等。挤压模头型腔的几何结构直接影响型腔的流场形态，优化结构参数能有效提高挤压模头型腔出口速度分布的横向一致性。

国内外学者针对涂布工艺过程开展了不同程度的研究工作，但目前还存在如下一些问题：(1)当前国内外对于挤压涂布模头的研究主要是对下模头匀料腔的结构进行优化，即依据选定涂布液的流变特性设计最佳的模头内流道，然而不同的涂布液特性千差万别，固定的模头结构无法保证其它流变性不同的浆料涂布均匀性水平，而更换模头价格十分昂贵；(2)尽管狭缝涂布技术已较为成熟，但是其工艺过程影响因素较多，在实际生产中，许多参数调整仅凭借经验去操作，既浪费时间，又浪费原料。因此，迫切需要对涂布流体的微观运动规律进行研究，了解各影响因素间的交互作用，消除涂布缺陷，这对于提升生产效率、减少产品报废、降低制造成本具有重要的意义。

专利申请号为201420736860.7的实用新型专利公开了一种用于低粘度流体超薄涂布的狭缝涂布头，包括由上游模、下游模以及夹在上游模与下游模之间的垫片，还包括流体进口、输送管道、分配主腔、狭缝流道和流体出口；其中，流体入口设置在上游模的侧面，并通过管螺纹与流体输送管道连接；并且，分配主腔的截面结构设置为半圆结构。该实用新型低粘度涂布流体通过泵等装置提供动力后，由涂布头腔体中上游模侧面的流体进口进入，依次经过半圆截面结构的分配主腔、以及狭缝流道，然后经流体出口后涂布到箔材上，结构简单，涂布性能稳定可靠，涂布涂层质量高，但是涂抹的均匀性和涂布厚度控制不好掌握。

发明内容

针对背景技术中提到的问题，本发明提供一种用于锂电池浆料的涂布模头及V角确定方法，采用主腔和副腔双腔体结构，主腔包括左主腔和右主腔，左主腔和右主腔连接后所构成的管体为非直管，左主腔和右主腔的腔体中心线所构成的主腔夹角为V角，结合流体仿真、实际生产、试验设计，确定不同n值下的最佳V角，最终得出n-V分布曲线，从而根据浆料n值确定V角大小，在保证出口速度均匀性的基础上，涂抹的均匀性和涂布厚度的横向分布也得到保证。用于指导模头设计工作，即得到浆料粘度实验数据，拟合得到n值，即可通过n-V分布曲线确定模头设计V角，便能够获得较佳涂布效果

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种用于锂电池浆料的涂布模头，包括由上游模、下游模，上游模和下游模之间设有双腔涂布组件，所述双腔涂布组件包括主腔，主腔的一侧设有副腔，副腔的一侧设有狭缝区，流体进口通道和主腔连通，所述主腔包括左主腔和右主腔，左主腔和右主腔连接后所构成的管体为非直管，左主腔和右主腔的腔体中心线所构成的主腔夹角为V角，左主腔、右主腔的腔体中心线分别与左主腔、右主腔的外部边沿线平行。

优选的是，所述左主腔和右主腔由中间连接处向外侧上部延伸。

上述任一方案中优选的是，所述流体进口通道和主腔、副腔内部相互连通，所述副腔水平设置，流体进口通道垂直于主腔和/或副腔设置。

上述任一方案中优选的是，所述主腔的内部口径大于副腔的内部口径，所述左主腔的一外侧端部和副腔的一外侧端部齐平，右主腔的一外侧端部长于副腔的另一外侧端部。

上述任一方案中优选的是，所述左主腔的一外侧端部呈矩形向内凹陷设置，右主腔的一外侧端部呈弧形向外侧延伸。

上述任一方案中优选的是，V角取值范围为0.1～2°，流体进口通道直径为18～25mm，流体进口通道长度为50～60mm，主腔的半径为18～25mm，主腔的长度为300～1500mm。

V角取值可以为0.1～2.0°范围内的任意值，如0.1°，0.2°，0.3°，0.4°，0.5°，0.6°，0.7°，0.8°，0.9°，1°，1.1°，1.2°，1.3°，1.4°，1.6°，2.0°；流体进口通道直径d为18～25mm范围内的任意值，如18mm，20mm，22mm，25mm；流体进口通道长度根据需要设置，可以为50～60mm范围内的任意值，如50mm，55mm，60mm；主腔的半径r1为18～25mm范围内的任意值，如18mm，20mm，22mm，25mm；主腔的长度为300～1500mm范围内的任意值，如300mm，500mm，800mm，1000mm，1200mm，1400mm，1500mm。

上述任一方案中优选的是，副腔的半径为8～10mm，副腔和主腔的展向长度相等，主腔和副腔间距为5～17mm。

副腔的半径r2小于主腔的半径，为8～10mm范围内的任意值，如8mm，9mm，10mm；主腔和副腔间距L至少为5mm，可以为5～17mm范围内的任意值，如5mm，8mm，10mm，12mm，14mm，16mm，17mm。

上述任一方案中优选的是，狭缝区的流向长度为30～70mm(入口往出口为流向，往两侧为展向)，展向宽度等于主腔的长度，狭缝区的高度0.5～1.5mm。

狭缝区的流向长度La至少为30mm(入口方向往出口方向为流向，往两侧为展向)，具体可以为30～70mm范围内的任意值，如30mm，40mm，50mm，60mm，70mm；狭缝区展向宽度Lb等于主腔的长度；狭缝区的高度h为0.5～1.5mm范围内的任意值，如0.5mm，0.6mm，0.8mm，1mm，1.2mm，1.3mm，1.5mm。

本发明还公开上述所述的用于锂电池浆料的涂布模头的涂布方法，包括以下步骤：

步骤(1)、确定浆料涂布过程中和流道几何设计无关的影响显著的因素，因素至少包括n值，n值为浆料粘度表达式中的幂律指数；

步骤(2)、锂电池浆料的粘度表达式为幂律形式：y＝Kx^n-1，y为粘度，x为剪切速率，K为零剪切粘度，n为幂律指数，粘度表达式由流变实验数据拟合所得，结合流体仿真分析和实际生产试验设计，确定不同n值下的最佳V角；

步骤(3)、结合步骤(2)得到的不同n值下的最佳V角数值，得到n-V分布曲线，V＝0.1890*n^-2.0938。

有益效果

(1)本发明提供一种用于锂电池浆料的涂布模头及V角确定方法，采用主腔和副腔双腔体结构，主腔包括左主腔和右主腔，左主腔和右主腔连接后所构成的管体为非直管，左主腔和右主腔的腔体中心线所构成的主腔夹角为V角，能够避免涂布厚度出现中间厚或两边厚的情况出现；

(2)结合流体仿真分析和实际生产试验设计，确定不同n值下的最佳V角，最终得出n-V分布曲线，从而根据不同的n值能够得出V的取值，在保证出口速度均匀性的基础上，涂抹的均匀性和涂布厚度的横向分布也得到保证。

(3)用于指导模头设计工作，即得到浆料n值，即可确定模头设计V角用于进一步指导模头设计工作，以获得最佳涂布效果，本申请的用于锂电池浆料的涂布模头结构相对于衣架式涂布头结构更简单，加工难度更小。

附图说明

图1为本申请的用于锂电池浆料的涂布模头的整体结构示意图；

图2为图1的使用状态结构示意图；

图3为图1的一侧视图；

图4为某锂电池浆料粘度随着剪切速率增加而减小曲线图；

图5为不同n值的最佳V角迭代流程示意图；

图6为n＝0.4时迭代结果；

图7为n＝0.65时迭代结果；

图8为n-V分布曲线；

1、主腔；11、左主腔；12、右主腔；2、副腔；3、狭缝区；4、流体进口通道。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。在没有特殊说明的情况下，在后续实施例中出现的相关材料均为前序实施例制备获得。

实施例1

一种用于锂电池浆料的涂布模头，如图1-图3所示，包括由上游模、下游模，上游模和下游模之间设有双腔涂布组件，双腔涂布组件包括主腔1，主腔1的一侧设有副腔2，副腔2的一侧设有狭缝区3，流体进口通道4和主腔1连通，所述主腔1包括左主腔11和右主腔12，左主腔11和右主腔12连接后所构成的管体为非直管，如图1所示，左主腔11和右主腔12的腔体中心线所构成的主腔夹角为V角，具体的，左主腔11和右主腔12分别同腔外上部颜色较重的黑色线平行，两侧黑色线之间的夹角(V角为一侧的黑色延长线与另一侧黑色线之间的角度)即为主腔夹角。左主腔11、右主腔12的腔体中心线分别与左主腔、右主腔的外部边沿线平行，从而形成由流体进口通道4、主腔1、副腔2、狭缝区3组成的挤压式狭缝涂布头结构。

本实施例进一步优化的技术方案是，V角取值范围为0.1～2.0°，V角的存在使得主腔1和副腔2之间的连接段在中间和两侧产生差异化，一般的，V角越大，中间连接段的流向长度比两侧的流向长度越多，使得中间比两侧有更大的流动阻尼，从而抑制中间流量大的现象。合适的V角，可以使得流量在出口的横向方向上取得较好的涂布一致性。

本实施例进一步优化的技术方案是，所述左主腔11和/或右主腔12由中间连接处向外侧上部延伸。

锂电池浆料依次经过流体进口通道4到达主腔1，由于左主腔11和右主腔12的腔体中心线所构成的主腔夹角为V角与左主腔11、右主腔12的外部边沿线平行，锂电池浆料在主腔1内被重新分配流体流向，再由主腔1内的左主腔11和右主腔12流入副腔2后进入狭缝区3，最后通过流体出口涂到箔材或者板材上。

本实施例进一步优化的技术方案是，所述流体进口通道4和主腔1、副腔2内部相互连通，所述副腔2水平设置，流体进口通道4垂直于主腔1和/或副腔2设置。

本实施例进一步优化的技术方案是，所述主腔1的内部口径大于副腔2的内部口径，所述左主腔11的一外侧端部和副腔2的一外侧端部齐平，右主腔12的一外侧端部长于副腔2的另一外侧端部。

左主腔11和右主腔12的所成的V角将涂布流体重新分配，避免浆料在单一方向堆积，造成涂布宽度以及厚度不均匀，主腔1、副腔2设置为弧形结构的分配内腔同时配合副腔2的内部口径小于主腔1，浆料的流体流向在主腔1内被重新分配，后副腔2过渡，涂布流体效果更好，最终，狭缝区3内的浆料以稳定的流速、稳定的流态，沿涂布宽度方向稳定的压力梯度将涂布流体输送到流体出口。

本实施例进一步优化的技术方案是，流体进口通道4直径d为18～25mm，流体进口通道4长度为50～60mm，主腔1的半径r1为18～25mm，主腔1的长度为300～1500mm；副腔2的半径r2为8～10mm，副腔2和主腔1的展向长度相等，主腔1和副腔2间距L为5～17mm；狭缝区3的流向长度La为30～70mm(入口往出口为流向，往两侧为展向)，展向宽度Lb等于主腔1的长度，狭缝区3的高度0.5～1.5mm。

本实施例进一步优化的技术方案是，V角取值可以为0.1～1.4°范围内的任意值，如0.1°，0.2°，0.3°，0.4°，0.5°，0.6°，0.7°，0.8°，0.9°，1°，1.1°，1.2°，1.3°，1.4°，1.6°，2.0°；流体进口通道4直径d为18～25mm范围内的任意值，如18mm，20mm，22mm，25mm；流体进口通道4长度根据需要设置，可以为50～60mm范围内的任意值，如50mm，55mm，60mm；主腔1的半径r1为18～25mm范围内的任意值，如18mm，20mm，22mm，25mm；主腔1的长度为300～1500mm范围内的任意值，如300mm，500mm，800mm，1000mm，1200mm，1400mm，1500mm；副腔2的半径r2小于主腔的半径，为8～10mm范围内的任意值，如8mm，9mm，10mm；主腔1和副腔2间距L至少为5mm，可以为5～17mm范围内的任意值，如5mm，8mm，10mm，12mm，14mm，16mm，17mm；狭缝区3的流向长度La至少为30mm(入口方向往出口方向为流向，往两侧为展向)，具体可以为30～70mm范围内的任意值，如30mm，40mm，50mm，60mm，70mm；狭缝区3展向宽度Lb等于主腔的长度；狭缝区3的高度h为0.5～1.5mm范围内的任意值，如0.5mm，0.6mm，0.8mm，1mm，1.2mm，1.3mm，1.5mm。

实施例2

一种采用实施例1所述的锂电池浆料的涂布模头的V角确定方法，包括以下步骤：

步骤(1)、确定浆料涂布过程中和流道几何设计无关的影响显著的因素，因素至少包括n值，n值为浆料粘度表达式中的幂律指数；

步骤(2)、锂电池浆料的粘度表达式为幂律形式：y＝Kx^n-1，y为粘度，x为剪切速率，K为零剪切粘度，n为幂律指数，粘度表达式由流变实验数据拟合所得，结合流体仿真分析和实际生产试验设计，确定不同n值下的最佳V角；

步骤(3)、结合步骤(2)得到的不同n值下的最佳V角数值，得到n-V分布曲线，V＝0.1890*n^-2.0938。

图4为一锂电池浆料粘度随着剪切速率增加而减小-非牛顿流体的剪切变稀现象，浆料粘度表达式为幂律形式：y＝Kx^n-1(y为粘度，x为剪切速率，K为零剪切粘度，n为幂律指数)。大多数高聚物熔体和浓溶液属于假塑性流体，其粘度随剪切速率的增加而减小，即剪切变稀。这是因为高分子在流动时各液层间总存在一定的速度梯度，细而长的大分子若同时穿过几个流速不等的液层时，同一个大分子的各个部分就要以不同的速度前进，这种情况显然不能持久。因此，在流动时，每个长链分子总是趋向于使自己全部进入同一流速的液层，不同流速液层的平行分布就导致了大分子在流动方向上的去向，高聚物在流动过程中随剪切速率或剪切应力的增加，由于分子的取向使粘度降低。

经流体仿真分析，浆料涂布过程中影响最为显著的和流道几何设计无关的工况因素中，n值影响最为显著，不同的n值，其涂布厚度的横向分布也有所不同。

结合流体仿真分析和实际生产设计经验，不同的n值由不同的最佳V角，不同n值单位最佳V角迭代流程图如图5所示。经大量仿真分析和实际生产试验操作，可以确定不同n值下的最佳V角，得到n-V分布曲线，用于指导模头设计工作，即得到浆料n值，即可确定模头设计V角。

图6为n＝0.4时迭代结果；图7为n＝0.65时迭代结果；当n＝0.40时，V角为1°时过小，会导致涂布厚度出现中间厚的情况；V角为1.3°时过大，会导致两边厚的情况；V为1.25°为最佳V角，可以使得两端和中间厚度相近。当n＝0.65时，V角为0.4°过小会导致涂布厚度出现中间厚的情况；V角为0.6°时过大会导致两边厚的情况；V角为0.5°时为最佳V角，可以使得两端和中间厚度相近。

结合多个n值迭代结果得出n-V分布曲线，曲线公式如图8所示，V＝0.1890*n^-2.0938，V为最佳V角，n为幂律指数。根据浆料的n值，计算得到最佳V角，指导涂布头的设计工作，能够获得最佳涂布效果。

由于浆料现场涂布实验花费昂贵，虽然在人力、物力、时间上消耗较多，但是得到的实验数据比较单薄，无法反映模头内部真实情况，靠做实验来对模头流场进行优化很困难。本申请利用ANSYS公司的FLUENT或CFX软件对上述模头(V为1.25°，0.5°)内流场的流体力学控制方程进行计算，即对建立的几何模型进行网格划分，基于有限体积法(FVM)对流场的控制方程在每个网格单元上进行离散处理，从而得出离散化的控制方程以获得流场速度、压强分布等。最终得出流场速度、压强分布数据均稳定性和均匀性均较好。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种用于锂电池浆料的涂布模头，包括由上游模、下游模，其特征在于：上游模和下游模之间设有双腔涂布组件，所述双腔涂布组件包括主腔(1)，主腔(1)的一侧设有副腔(2)，副腔(2)的一侧设有狭缝区(3)，流体进口通道(4)和主腔(2)连通，所述主腔(1)包括左主腔(11)和右主腔(12)，左主腔(11)和右主腔(12)连接后所构成的管体为非直管，左主腔(11)和右主腔(12)的腔体中心线所构成的主腔夹角为V角，左主腔(11)、右主腔(12)的腔体中心线分别与左主腔、右主腔的外部边沿线平行。

2.根据权利要求1所述的一种用于锂电池浆料的涂布模头，其特征在于：所述左主腔(11)和右主腔(12)由中间连接处向外侧上部延伸。

3.根据权利要求2所述的一种用于锂电池浆料的涂布模头，其特征在于：所述流体进口通道(4)和主腔(1)、副腔(2)内部相互连通，所述副腔(2)水平设置，流体进口通道(4)垂直于主腔(1)和/或副腔(2)设置。

4.根据权利要求3所述的一种用于锂电池浆料的涂布模头，其特征在于：所述主腔(1)的内部口径大于副腔(2)的内部口径，所述左主腔(11)的一外侧端部和副腔(2)的一外侧端部齐平，右主腔(12)的一外侧端部长于副腔(2)的另一外侧端部。

5.根据权利要求4所述的一种用于锂电池浆料的涂布模头，其特征在于：所述V角取值范围为0.1～2.0°，流体进口通道(4)直径为18～25mm，流体进口通道(4)长度为50～60mm，主腔(1)的半径为18～25mm，主腔(1)的长度为300～1500mm。

6.根据权利要求5所述的一种用于锂电池浆料的涂布模头，其特征在于：所述副腔(2)的半径为8～10mm，副腔(2)和主腔(1)的展向长度相等，主腔(1)和副腔(2)间距为5～17mm。

7.根据权利要求6所述的一种用于锂电池浆料的涂布模头，其特征在于：所述狭缝区(3)的流向长度为30～70mm，展向宽度等于主腔(1)的长度，狭缝区(3)的高度0.5～1.5mm。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的用于锂电池浆料的涂布模头的V角确定方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤(1)、确定浆料涂布过程中和流道几何设计无关的影响显著的因素，因素至少包括n值，n值为浆料粘度表达式中的幂律指数；

步骤(2)、锂电池浆料的粘度表达式为幂律形式：y＝Kx^n-1，y为粘度，x为剪切速率，K为零剪切粘度，n为幂律指数，粘度表达式由流变实验数据拟合所得，结合流体仿真分析和实际生产试验设计，确定不同n值下的最佳V角；

步骤(3)、结合步骤(2)得到的不同n值下的最佳V角数值，得到n-V分布曲线，V＝0.1890*n^-2.0938。

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