鋰電池涂布時(shí)極片烘干的過程是涂布的難點(diǎn)和重點(diǎn)，本文對(duì)其影響因素進(jìn)行簡單介紹，具體參數(shù)需要根據(jù)產(chǎn)品特性針對(duì)性調(diào)整。
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極片烘干過程，業(yè)內(nèi)常見的模型是將其分為如下四個(gè)階段，如下：
對(duì)應(yīng)的微觀結(jié)構(gòu)變化：
極片干燥經(jīng)歷如上四個(gè)動(dòng)力學(xué)過程，即預(yù)熱階段、加熱階段、恒干燥速率階段以及降速階段。干燥初始階段，熱風(fēng)迅速掠過涂布漿料表面，加熱箔材及漿料，促使?jié){料表面溶劑蒸發(fā)，并以氣液兩相形式通過界面擴(kuò)散。涂布漿料中NMP 以及水等溶劑在恒干燥速率階段大量蒸發(fā)，溶劑到達(dá)涂層表面并富集。
干燥速率受涂層表面氣相干燥界面物質(zhì)擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)控制。
由于熱風(fēng)直接作用于漿料表面，涂布漿料表層溶劑完全汽化，涂布層內(nèi)部漿料溶劑因毛細(xì)作用遷移至表面，不斷蒸發(fā)，涂布層逐步收縮。當(dāng)濕含量達(dá)到臨界狀態(tài)下，極片表面出現(xiàn)不連續(xù)干點(diǎn)，此階段為恒速干燥階段。此時(shí)干燥速率取決于熱風(fēng)溫度、風(fēng)速、回風(fēng)比以及漿料配方。
當(dāng)涂布活性材料中溶劑含量較低時(shí)，極片溫度整體升高并形成溫度梯度，熱量由表層傳入涂布層內(nèi)部，而溶劑不斷擴(kuò)散至涂布層表面，為降速干燥階段。此階段干燥速率受溶劑遷移速率控制，即受到半干涂布層顆粒及間隙分布方式控制。
合理控制溫度、風(fēng)速等可以有效提高單體電池的性能一致性
第三四階段，涂覆漿料黏度極大，即便提高干燥溫度，干燥速率依然較低
干燥溫度較低時(shí)，黏結(jié)劑的分布更為均勻，集流體同活性材料的黏結(jié)更為牢固
熱風(fēng)流動(dòng)速度過大就會(huì)導(dǎo)致涂層的不均勻
復(fù)合干燥可以提高干燥效率。例如將單面熱風(fēng)干燥變?yōu)殡p面熱風(fēng)干燥，烘箱內(nèi)采用負(fù)壓條件，結(jié)合其他加熱方式，如紅外線和微波輔助加熱等，形成復(fù)合干燥工藝，改善干燥條件。
紅外干燥可以去除極片涂層中毛細(xì)管水分和表面殘余水分，特別適用于厚度較大的高能量電極涂層。干燥過程操作簡單，熱量集中，干燥速度快，但干燥時(shí)黏結(jié)劑出現(xiàn)二次團(tuán)聚，負(fù)極極片的電化學(xué)性能降低。通常將其與對(duì)流干燥結(jié)合，形成混合干燥系統(tǒng)。由于涂層厚度的差異，紅外干燥溫度的不均勻性始終沒有得到徹底解決，對(duì)于非水系溶劑的漿料干燥，效率不足。
微波干燥技術(shù)是通過微波介電加熱促使極片中水分脫除。微波為體積加熱，干燥時(shí)極片內(nèi)部自由水首先氣化，形成較高蒸發(fā)壓力梯度，加速內(nèi)部水分遷移。微波混合干燥可以極大提高干燥效率，干燥時(shí)對(duì)涂層的破壞較小，但易造成極片鼓包、炸片等。
烘箱單個(gè)風(fēng)嘴風(fēng)速可調(diào)或一致性≤6%；
烘箱溫度閉環(huán)控制，單節(jié)烘箱溫度一致性≤±3℃
首先涂布烘箱的常見內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如下所示。主要包括極片出入口、入風(fēng)口、排風(fēng)口、風(fēng)刀和上下兩風(fēng)室等結(jié)構(gòu)。入風(fēng)口分為上入風(fēng)口和下入風(fēng)口，分別與上下兩風(fēng)室連接，且位于風(fēng)室一側(cè)的中部位置。
風(fēng)刀是烘箱內(nèi)的核心均流元件，風(fēng)刀主要起到對(duì)氣流組織、調(diào)整及勻流的作用，是涂布機(jī)廠家的關(guān)鍵技術(shù)，所以不同設(shè)備廠家的風(fēng)刀(空氣噴嘴)有著不同的結(jié)構(gòu)、功能和特性。
在開孔率為 19.6%，送風(fēng)高度分別為 15mm 時(shí)，分析狹縫寬度分別為 2、3、4、5mm 時(shí)對(duì)風(fēng)刀流場特性的影響。狹縫間距不同時(shí)，速度分布趨勢(shì)是一致的，但風(fēng)刀出口的速度有較大變化。狹縫寬度越小，氣流流經(jīng)此處的速度也就越大，對(duì)應(yīng)地，風(fēng)刀出口截面中心線上的風(fēng)速也就越大，這是由于風(fēng)量固定的情況所導(dǎo)致的結(jié)果。但是 ，隨著狹縫寬度的逐漸增大，氣流通過均流篩板后的速度衰減越小，氣流在風(fēng)刀內(nèi)的流動(dòng)更為充分。
狹縫寬度不同的風(fēng)刀出口風(fēng)速分布，如下所示：
當(dāng)狹縫出口為 3、4、5mm 的寬度時(shí)，風(fēng)刀出口的風(fēng)速大小依次增大，風(fēng)速分布的曲折度較為一致，但當(dāng)狹縫出口為 2mm 的極窄間距時(shí)，沿Z 軸方向的風(fēng)速分布折線突然出現(xiàn)較大的曲折，這表明了狹縫出口的寬度太小，對(duì)風(fēng)速分布的均勻性有著較大的影響。
可看出，狹縫寬度越小，風(fēng)刀出口的速度均方差越大，代表速度分布越不均勻，當(dāng)狹縫出口寬度為 2mm 時(shí)，風(fēng)刀出口雖然風(fēng)速有一定提高，但速度的波動(dòng)程度卻十分劇烈，導(dǎo)致均方差值驟然增大，說明風(fēng)刀的均流效果極差。
狹縫寬度不同時(shí)，風(fēng)刀進(jìn)出口的平均總壓及壓差值見如下：
可得，狹縫寬度越小，進(jìn)出口壓差越大，說明氣流在風(fēng)刀內(nèi)的流動(dòng)阻力較大。但當(dāng)寬度由 3mm 減小至 2mm 時(shí)，進(jìn)出口壓差值得到大幅增加，阻力增加效應(yīng)尤為明顯。
綜上可得，狹縫寬度小于 3mm 時(shí)，雖然風(fēng)速有較大提高，但風(fēng)刀的均流效果變差，同時(shí)阻力陡然增大，故此種結(jié)構(gòu)一般不予選取。狹縫寬度為 5mm 時(shí)，出口的風(fēng)速則相對(duì)較小。通過均方差值的大小可看出，狹縫寬度為 4mm 時(shí)，均方差值最小，代表風(fēng)速分布最為均勻，此時(shí)風(fēng)速均值大小也較為合適，因此狹縫寬度為 4mm 最為合適。
在開孔率為 19.6%，狹縫間距為 3mm 時(shí)，時(shí)，分析送風(fēng)高度分別為 10、15、20、25mm 時(shí)對(duì)風(fēng)刀流場特性的影響
由上圖可得，送風(fēng)高度不同，氣流在極片表面的速度不同。送風(fēng)高度越大，氣流在沖向極片的過程中，一部分氣流會(huì)向風(fēng)刀內(nèi)側(cè)流動(dòng)，導(dǎo)致另一部分氣流沖向極片表面時(shí)的風(fēng)速已經(jīng)衰減至較小值，沖擊強(qiáng)度可能無法滿足極片的干燥需要。
通過上可得，送風(fēng)高度不同，風(fēng)刀進(jìn)出口壓差無明顯增大或減小趨勢(shì)，這說明高度因素對(duì)風(fēng)刀的阻力影響亦不大。
綜上所述，送風(fēng)高度參數(shù)主要影響氣流沖擊極片表面的強(qiáng)度，在此次數(shù)值模擬中，此參數(shù)對(duì)風(fēng)刀的均流特性及阻力特性均無較大影響。
便于理解以上內(nèi)容，極片干燥，可以使用熱風(fēng)沖擊干燥模型。熱風(fēng)沖擊射流干燥的原理是利用空氣射流沖擊濕物料表面，以去除濕物料表面水分。模型如下所示：
(1)自由噴射流區(qū)。射流的外邊界存在剪切應(yīng)力，將周圍的介質(zhì)及相應(yīng)的動(dòng)量、能量裹入到射流中。產(chǎn)生的影響主要有：非均勻徑向速度剖面的發(fā)展，射流擴(kuò)張率和總傳質(zhì)率的增加，以及在沖擊到下板之前的射流溫度的改變等。
(2)滯流區(qū)。流動(dòng)在由軸向轉(zhuǎn)向徑向之前的區(qū)域一般稱為滯流區(qū)，也稱為駐點(diǎn)區(qū)。在此區(qū)域，流動(dòng)速度迅速滯止為 0，并且急劇地由軸向轉(zhuǎn)向徑向，產(chǎn)生了很大的逆壓力梯度，因此參數(shù)變化最為劇烈，從而使射流沖擊表現(xiàn)出與簡單的平行剪切流動(dòng)完全不同的特征。
(3)壁面射流區(qū)：在滯止區(qū)壓力梯度的驅(qū)動(dòng)下，流體迅速向外流出，但已不再是簡單的平行剪切流動(dòng)，沿壁面流動(dòng)的距離越遠(yuǎn)，其區(qū)域越大。
流體從噴嘴噴出時(shí)，其速度分布大體上是均勻的，但隨著氣流流程的增加，噴射流與邊界層外流體進(jìn)行能量交換，勢(shì)流核心區(qū)很快消失。同時(shí)射流的寬度不斷增加，速度分布剖面也由噴嘴出口時(shí)的均勻分布，逐漸變成呈高斯分布的鐘形速度分布。當(dāng)自由射流沖擊到壁面之后，即轉(zhuǎn)化成為滯留區(qū)流動(dòng)和壁面射流。
干燥過程中，熱風(fēng)將熱量傳遞給漿料表面，由漿料表面向內(nèi)部逐漸傳遞，這個(gè)過程為傳熱過程。漿料獲得熱量以后，由于其表面溶劑蒸汽分壓 Pj大于熱風(fēng)溶劑蒸汽分壓 Pf，使得漿料中的溶劑快速蒸發(fā)，氣化后的溶劑蒸汽通過漿料表面的邊界層向熱風(fēng)主體中擴(kuò)散。熱風(fēng)連續(xù)不斷的將氣化溶劑帶走，從而達(dá)到干燥的目的。
首先明確：鋰電池涂布烘箱用的紅外技術(shù)，嚴(yán)格定義應(yīng)該是：紅外—熱風(fēng)烘干系統(tǒng)
為什么不是純粹的紅外進(jìn)行加熱干燥，原因是：用純紅外加熱時(shí)，極片表面會(huì)形成一層氣膜，這層氣膜對(duì)內(nèi)部溶劑的揮發(fā)產(chǎn)生抑制作用，還會(huì)影響紅外輻射的穿透效率，影響了干燥速度。
紅外吸收原理是，是基于物料處于本征頻率時(shí)的吸收能力較強(qiáng)，紅外輻射在物料表層就被吸收，無法深入內(nèi)部進(jìn)行加熱，因此，依靠分子振動(dòng)的非諧性，將紅外熱源的輻射峰值位置偏向長波方向，避開物料的主吸收帶，兼顧了紅外輻射的穿透能力和物料的吸收能力，使輻射能穿過物料表面進(jìn)入內(nèi)部進(jìn)行加熱。
紅外-熱風(fēng)干燥系統(tǒng)，在熱風(fēng)對(duì)流循環(huán)干燥，在吹散極片表層氣膜的同時(shí)，還能把熱量均勻的傳遞到極片的各個(gè)位置，及時(shí)排出高濃度廢氣并且補(bǔ)充新鮮的干燥熱空氣，這樣可以大大提高溶劑的揮發(fā)和排出速率，降低傳質(zhì)阻力，提高極片的干燥質(zhì)量。紅外熱風(fēng)聯(lián)合干燥綜合了紅外輻射和熱風(fēng)對(duì)流各自的優(yōu)點(diǎn)，可以極大地提高干燥速率。
涂布烘烤時(shí)，紅外—熱風(fēng)烘烤的原理示意圖如下：
如下圖所示：不同熱風(fēng)溫度條件下，關(guān)鍵截面的溫度分布情況基本相同，只是數(shù)值不同。極片正上方區(qū)域的溫度整體高于干燥箱左右兩側(cè)區(qū)域，這是因?yàn)闃O片上方受到紅外燈管的直接輻射，而左右兩邊由于干燥箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)的原因，紅外線照射不到該區(qū)域。因?yàn)闃O片上表面為主要干燥區(qū)域，所以兩邊溫度對(duì)干燥結(jié)果影響較小。極片正上方靠近紅外燈管的位置溫度略高，沿干燥箱長度方向呈波浪形連續(xù)分布，最大溫差為5℃，溫度分布較為合理。當(dāng)增加熱風(fēng)溫度后，干燥箱內(nèi)溫度也會(huì)相應(yīng)增加，說明熱風(fēng)溫度跟箱內(nèi)溫度呈正相關(guān)關(guān)系。60℃熱風(fēng)條件下該平面的最高溫度和最低溫度分別為100 和 75℃，比 50℃時(shí)分別高 10℃，比 40℃時(shí)分別高 20℃。
當(dāng)熱風(fēng)溫度為 50℃時(shí)，分別設(shè)置熱源功率為 130W、180W、230W，溫度分布山峰圖如下圖所示。通過下圖可以看出，熱源功率對(duì)干燥箱內(nèi)溫度的數(shù)值和分布情況影響很大。干燥箱 Z=75mm 平面極片正上方溫度范圍分別為：130W 時(shí)為 70~78℃，180W 時(shí)為 80~90℃，230W 時(shí)為 100~115℃。130W 時(shí)溫度一致性較好且分布平緩，波動(dòng)范圍很小，但整體溫度偏低，會(huì)增加干燥時(shí)間；180W 時(shí)溫度分布較為均勻且溫度適中，可以滿足穩(wěn)定干燥極片的要求；230W 時(shí)，該平面的整體溫度較高且高溫區(qū)域比較集中，主要集中在靠近紅外燈管的位置，會(huì)使干燥不均勻，影響干燥效果。
不同輻射距離時(shí)的溫度分布圖如圖所示，從圖中可以看出，輻射距離 80mm時(shí)平均溫度最高，溫度波動(dòng)也較為劇烈，高溫區(qū)域比較集中，最高溫度達(dá) 105℃。140mm時(shí)溫度適中，整體溫度分布較為均勻，最高溫度為 90℃，極片上方溫差最大為 6℃，利于極片的穩(wěn)定干燥。200mm 跟 140mm 相比溫度分布更加平緩，但是整體溫度偏低，溫度范圍為 69~73℃，影響極片的干燥效率。由此可見，增大輻射距離會(huì)降低干燥箱內(nèi)各區(qū)域的溫度，增加干燥時(shí)間，但距離太近又會(huì)使箱內(nèi)溫度分布均勻性變差，導(dǎo)致局部溫度過高和極片內(nèi)外干燥速度差別太大，會(huì)影響干燥質(zhì)量。輻射距離對(duì)干燥箱的溫度場影響很大，是影響箱內(nèi)溫度分布的重要因素。
綜上：熱風(fēng)溫度對(duì)溫度場影響較小，熱源功率和輻射距離對(duì)干燥箱內(nèi)部溫度的分布和數(shù)值影響很大
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