一样平常涂布工艺模拟剖析成两个办法：（1）模头内部流场模拟 ，接纳层流模子 ，稳态求解（点击阅读 锂电池极片涂布工艺模拟：挤压模头内流� 。�；（2）模头与箔材之间的流场 ，接纳层流瞬态求解器 。多相流要领追踪涂层与空气的界面 。
本篇先容第二个办法 ，这是2016年做的事情 。以石墨负极浆料作为研究工具 ，接纳流体力学软件Fluent对锂离子电池浆料涂布的初期流场举行有限元模拟 ，剖析浆料从模头出口流出到涂布稳固的历程 ，研究涂布稳固状态的影响因素 。
1 有限元模子通过实验测定 ，石墨负极浆料的固体物质含量为52.0% ，浆料密度为(1450±22) kg/m3 。图2(a)为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、涂布速率v、上料流量Q、涂布湿厚h以及涂层宽度B 。本模拟中：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 。
接纳流体力学有限元软件Fluent6.3.26对挤压模头与涂辊之间的外流场举行流动状态模拟 ，涂布流场如图2(a)所示 。以挤出模头狭缝内部为盘算区域1 ，狭缝出口与基材间的外部区域为盘算域2 ，如图2(b)所示 ，接纳二维平面模子 ，盘算域入口设定为速率入口 ，出口设定为压力出口 ，压力值为101325 Pa ，基材设定为移动壁面 ，移动速率即涂布速率v ，模头外壁等其他界线设定静止界线条件 。盘算域网格划分如图2(c)所示 ，网格平均尺寸为0.01mm 。
涂布流场状态是不可压缩的空气和浆料两相非定常流动历程 ，不思量传热历程 。接纳VOF模子追踪浆料自由流动界面 ，由于浆料和空气粘度差别大 ，选择CICSAM界面捕获手艺 。假定负极浆料与基材铜箔的静态接触角为50° ，与挤出模头外壁的接触角为60° 。初始时刻浆料液体充满挤出模头狭缝[图2(b)中surface1区] ，但没有溢出狭缝外侧 ，涂布流场最先盘算后 ，浆料以稳固的速率从狭缝流出 。
2 建模历程使用gambit绘制几何模子并设定界线条件 ，划分网格 ，如图1所示 。将几何模子导入FLUENT求解器 ，选择二维隐式瞬态求解器 。选择VOF模子模拟空气和浆料两相流 ，捕获两相界面
雷诺数较量低 ，选择层流模子 。
设定浆料的密度和粘度
3 效果与讨论
3.1 流场起源剖析浆料在狭缝外流场流动历程中 ，受到相互影响的作用力 ，包括由于基材移动在流体内部爆发的粘性力、流体外貌力、流体从挤出模头流出攻击到移动的基材减速历程所形成的惯性力、流体所受到的重力 。现实涂布工艺中 ，剪切速率γ可由式(1)估算：式中：v为涂布速率 ，取值0.15 m/s；H为涂布间距 ，取值200×10^-6m；则γ=750 s^-1 。有限元盘算中假定负极浆料粘度稳固化 。文献报道 ，在此剪切速率下 ，锂离子负极浆料粘度μ为1Pa·s 。
涂布流场中 ，雷诺数Re和毛细管数Ca可划分由式(2)、式(3)界说：式中：雷诺数Re体现流体惯性力与粘性力之比 。本文中 ，当盘算域入口速率v=0.035m/s时 ，雷诺数Re =0.002 4 ，其值远小于1 ，这批注浆料攻击基材形成的惯性力作用对流场扰动小 ，浆料流动状态为层流历程 。毛细管数Ca体现流体粘性力与外貌力之比 ，本文中 ，Ca=3.597 ，由于锂离子负极浆料粘度高 ，涂布历程中粘性力对流动历程的影响大于流体外貌力的影响 。
3.2 模拟效果模拟历程中粘度接纳层流模子 ，模拟中假定负极浆料粘度稳固化 ，所接纳的负极浆料物料参数、模头几何参数以及工艺参数见表1 ，其中浆料入口速率选取0.030、0.035和0.050m/s三个值 ，研究工艺参数对涂布效果的影响 。
涂布工艺都保存一个工艺窗口：涂布窗口就是可以举行稳固涂布 ，获得匀称涂层的工艺操作规模 ，其受到三类因素的影响：（1）流体特征 ，如粘度μ、外貌张力σ、密度ρ；（2）挤压模头几何参数 ，如涂布间距H ，模头狭缝尺寸w；（3）涂布工艺参数 ，如涂布速率v ，浆料送料流量Q等 。
关于挤压式涂布 ，在牢靠的涂布速率下 ，保存送料流量上限和下限 ，介于上下限之间的规模即为涂布窗口 。涂布窗口上限主要受到涂布液稳固性的影响 ，如当流量缺乏 ，或者涂布速率太快时 ，涂布液珠最先不稳固 ，容易爆发空气渗入、横向波等缺陷 。涂布窗口下限爆发时 ，如流量过大或者涂布速度过慢 ，流体无法实时被带走 ，涂布液珠大宗累积 ，容易形成水窒或者垂流 。
图5、图6、图7划分为入口速率为0.030、0.035和0.050m/s时涂布最先至涂布流场稳固历程中差别时刻浆料的流动状态 。流场稳固后 ，出口处浆料沿x轴偏向体积分数(VOF)漫衍如图8所示 ，由图5中可知VOF=1.0和VOF=0.5~0.6时盘算涂层的厚度 ，效果列入表2 ，同时差别速率条件下游场雷诺数Re、流场稳固时间t均列入表2 。
浆料入口速率由0.035 m/s降低至0.030m/s时 ，获得的涂层厚度减小了10×10^-6m ，而入口速率增添到0.050 m/s时 ，涂层厚度增添了60×10^-6m 。
当入口速率为0.035m/s时 ，从盘算最先至流场稳固的时间最小 ，为37.54 ms 。无论入口速率增添照旧降低 ，涂布流场稳固时间都有所增添 ，当入口速率为0.030m/s时 ，流场稳固时间为48.75 ms ，当入口速率为0.050 m/s时 ，流场稳固时间为63.46ms 。
入口速率为0.030m/s时 ，涂布最先后10 ms时刻 ，狭缝流出的浆料填充在模头与基材之间[图5(a)] ，同时基材沿y轴正向移动 ，所爆发的粘性力使浆料追随基材移动 ，由于基材移动带走的浆料无法实时获得增补 ，大宗空气卷入涂层[图5(b)] ，卷入空气的浆料最后在基材上形成图5(c)所示涂层 。随着浆料的一直供应 ，流场上流道区域(y>0)基本稳固 ，流场下游道区域(y <0)也由重大状态逐步趋于稳固 ，如图5(d)所示 ，最后形成较量稳固的涂布流场[图5(e)] 。
入口速率为0.035m/s时 ，浆料填充模头与基材之间区域后[图6(a)] ，基材所带走的浆料能够实时富足增补 ，涂层中不会卷入大宗的空气 ，下游道流场很快抵达了稳固状态[图6(b)] ，上流道流场在重力滋扰下会爆发不稳固状态[图6(b)和(c)] ，可是随着涂布一直举行 ，上流道也很快抵达稳固状态[图6(d)和(e)] 。因此这种条件下 ，涂布流场稳固时间短 ，这是最佳的涂布工艺操作规模 。
入口速率为0.050m/s时 ，浆料供应富足 ，不会从下游道流场卷入大宗空气[图7(a)和(b)] ，下游道流场能较快抵达稳固状态[图7(b)] 。可是由于入口速率较大 ，形成较量厚的涂层(表2) ，上流道流场容易受到重力影响 ，需要较长时间抵达稳固[图7(c)] ，厚涂层形成缺口导致上流道流场很快崩塌[图7(d)] ，履历较长时间 ，约63.46ms ，涂布流场抵达稳固状态[图7(e)] 。
