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锂离子动力电池制造过程的挤压式涂布工序研究

发布:pmgnld 浏览:421次

一、基本介绍篇

一、挤压式涂布类型

关于挤压涂布我理解为通过流体通过挤压经过有特殊流道的涂布头涂覆在运动的基材上。整个系统如下图所示(图片来自于Quinones D M, Carvalho M D S。 EFFECT OF DIE LIP CONFIGURATION ON THE OPERATING WINDOW OF SLOT COATING PROCESS[J]。 Abcm。org。br, 2006。)。

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根据涂布头与基材距离及形成的涂布头与基材之间的流体形态分为狭缝式挤压涂布(Slot Coating)挤压 式涂布(Extrusion Coating),如下图所示。两者的区别主要在于流体有无润湿唇口,前者润湿唇口,后者没有。锂离子动力电池的涂布工艺采用的是狭缝式挤压涂布(Solt Coating)。

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两者的区别主要在于流体有无润湿唇口,前者润湿唇口,后者没有。锂离子动力电池的涂布工艺采用的是狭缝式挤压涂布(Solt Coating),涂布系统


二、狭缝式挤压涂布原理介绍

狭缝式挤压涂布的流动分布二维示意图如下:图片来自于Prof。 Marcio 的一篇文章《Fundamentals of Slot Coating Process 

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决定涂布质量的因素主要包括:涂布头与基带的间隙、流量、基材速度、涂布头结构、流体特性等。

根据平行板间艾库特流(可参阅上海交通大学工程力学教学基地查找流体力学教学资源进行深入了解)与Prof. Marcio 的润滑近似模型,可得厚度 t 公式如下:

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可知涂布厚度与涂布头与基带的间隙、流体粘度、基材速度、涂布头唇口尺寸、流体及外部压力有关。由公式可知,涂布头与基带的间隙为机械配合、流体粘度跟来料浆料有关、基材速度为电机控制、涂布头唇口尺寸由涂布头决定,以上因素比较容易保证一致,影响涂布质量厚度均匀性就突出表现在流体及外部压力,外部压力一般为室内常压,则涂布头唇口内及出口处的压力均匀性就显得异常重要。涂布头唇口内及出口压力分布均匀性与供料系统稳定性和涂布头结构有很大的关系。

二、挤压式涂布头结构介绍

涂布头结构其实比较简单,主要包括上模、下模、垫片三部分。下膜有特殊的型腔(例如梯度式、衣架式、单腔式和双腔式等),上模相对比较简单,垫片位于上下模之间可根据不同的涂布形式进行选择(例如斑马线、全涂等)。下图为三菱的一款涂布头模具。

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二、浆料特性篇

一、浆料构成

锂离子动力电池浆料基本上由活性物质、导电剂、粘结剂、溶剂构成,一般构成如下图所示

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二、浆料特性


浆料作为涂布工序的来料,其特性直接影响涂布质量。通过浆料构成我们可以知道浆料属于固液两相流体。生产上对浆料质量控制点主要有粘度固含量密度细度PH值。浆料的均匀一致性对于涂布工艺环节至关重要,检验浆料均匀一致性可通过检测不同区域浆料的质量控制点获取。

由于浆料粘度受温度、搅拌速度、沉降时间等有关,根据牛顿流体与非牛顿流体定义,我们把浆料归为非牛顿流体。浆料在搅拌相对均匀后,随着搅拌时间的增加,浆料粘度逐渐降低,最后趋于一个稳定值。根据相关文献,锂离子电池浆料在配比、均质状态下,存在随着剪切率增加粘度减小的显现,即剪切稀释现象。综上,我们将锂离子电池浆料归结为有剪切稀释现象的非牛顿流体。由于浆料根据材料不同、配比不同、匀浆情况不同,在不同条件下,浆料的流体特性存在着变化,本文只针对普遍和相对均一条件下的浆料流体特性进行介绍。


密度ρ:锂电池浆料密度一般在1400~2000kg/m³

粘度μ:锂电池浆料根据不同工艺条件粘度一般控制在1~10Pa·s

在以上基础上,我们已经知道涂布头的结构,由于本文主要关心涂布模头內流场状态,本文只建立流道液体模型。

用户可通过第三方3D软件进行建模,然后导出stp或者x_t通用格式,然后通过import Assembly,将浆料流体的几何模型导入。

1)建立几何模型

创建 With CFD Model,然后点击File→Import→Aseembly,选择导出的stp x_t文件,(本文导入选择Assembly而没有选择Part,因为在直接导入Part时,会出现导入壳体现象。)建立模型如下:

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2)创建材料属性

 由于本文建立模型,使用的为mm,及单位统一为mm制。

浆料密度1.7e-9 tone/mm³粘度为1500cps,即1.5e-6MPa·s。将以上材料属性赋给几何模型。

3)创建装配体

虽然以装配体导入的几何模型,但是系统识别为部件,需要切换到Assembly Model建立装配体。

4)划分网格

本文可通过分割工具,对模型进行分割,采用结构化网格、扫略网格和自下而上网格划分对几何进行六面体Hex网格划分,本文为节约网格划分时间和计算时间,本文使用四面体Tet流体单元FC3D4。通过边线布种控制网格密度,网格划分结果如下:

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网格划分结果

5)创建流体分析步

进入Step Module,创建流动分析步,Time Period:1,Initial time increment:0.001,Tubulence Model:None。此处的时间增量的选择跟网格划分质量、载荷大小有关。考虑浆料粘度大,挤压缝窄,速度小,选择不使用雷诺模型。

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编辑分析步对话框

6)创建边界条件及载荷

边界条件及载荷主要有三个,具体操作可参考前面文章《ABAQUS/CFD基简单知识与案例》。

①入口速度边界条件,速度为0.5mm/s

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②出口压力边界条件,0MPa

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③流体避免边界条件,无滑动(出去入口和出口)

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7)创建任务,并提交。

此步骤与之前案例分析步骤一样,提交任务后,可进行任务运行监测。完成后,点击Result,自动导入运行结果后,进入Visualization Module。

8)后处理

通过后处理功能可查看涂布头内流场的压力分布

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速度分布

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通过Stream工具,创建压力或速度流线显示效果图,

如下为压力流线显示图。

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