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結(jié)合Abaqus軟件對鋰離子動力電池制造過程的擠壓式涂布工序進(jìn)行研究

鋰電聯(lián)盟會長 ? 來源:未知 ? 作者:李倩 ? 2018-04-20 11:40 ? 次閱讀

本文主要對鋰離子動力電池制造過程的擠壓式涂布工序進(jìn)行簡單介紹,并結(jié)合Abaqus軟件對其涂布工藝進(jìn)行研究。

一,基本介紹篇

一、擠壓式涂布類型

關(guān)于擠壓涂布我理解為通過流體通過擠壓經(jīng)過有特殊流道的涂布頭涂覆在運(yùn)動的基材上。整個(gè)系統(tǒng)如下圖所示(圖片來自于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.)。

根據(jù)涂布頭與基材距離及形成的涂布頭與基材之間的流體形態(tài)分為狹縫式擠壓涂布(Slot Coating)和擠壓 式涂布(Extrusion Coating),如下圖所示。兩者的區(qū)別主要在于流體有無潤濕唇口,前者潤濕唇口,后者沒有。鋰離子動力電池的涂布工藝采用的是狹縫式擠壓涂布(Solt Coating)。

兩者的區(qū)別主要在于流體有無潤濕唇口,前者潤濕唇口,后者沒有。鋰離子動力電池的涂布工藝采用的是狹縫式擠壓涂布(Solt Coating),涂布系統(tǒng)。

二、狹縫式擠壓涂布原理介紹

狹縫式擠壓涂布的流動分布二維示意圖如下:圖片來自于Prof. Marcio 的一篇文章《Fundamentals of Slot Coating Process》

決定涂布質(zhì)量的因素主要包括:涂布頭與基帶的間隙、流量、基材速度、涂布頭結(jié)構(gòu)、流體特性等。

根據(jù)平行板間艾庫特流(可參閱上海交通大學(xué)工程力學(xué)教學(xué)基地查找流體力學(xué)教學(xué)資源進(jìn)行深入了解)與Prof. Marcio 的潤滑近似模型,可得厚度 t 公式如下:

可知涂布厚度與涂布頭與基帶的間隙、流體粘度、基材速度、涂布頭唇口尺寸、流體及外部壓力有關(guān)。由公式可知,涂布頭與基帶的間隙為機(jī)械配合、流體粘度跟來料漿料有關(guān)、基材速度為電機(jī)控制、涂布頭唇口尺寸由涂布頭決定,以上因素比較容易保證一致,影響涂布質(zhì)量厚度均勻性就突出表現(xiàn)在流體及外部壓力,外部壓力一般為室內(nèi)常壓,則涂布頭唇口內(nèi)及出口處的壓力均勻性就顯得異常重要。涂布頭唇口內(nèi)及出口壓力分布均勻性與供料系統(tǒng)穩(wěn)定性和涂布頭結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系。

二、擠壓式涂布頭結(jié)構(gòu)介紹

涂布頭結(jié)構(gòu)其實(shí)比較簡單,主要包括上模、下模、墊片三部分。下膜有特殊的型腔(例如梯度式、衣架式、單腔式和雙腔式等),上模相對比較簡單,墊片位于上下模之間可根據(jù)不同的涂布形式進(jìn)行選擇(例如斑馬線、全涂等)。下圖為三菱的一款涂布頭模具。

二,漿料特性篇

一、漿料構(gòu)成

鋰離子動力電池漿料基本上由活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑、溶劑構(gòu)成,一般構(gòu)成如下圖所示。

二、漿料特性

漿料作為涂布工序的來料,其特性直接影響涂布質(zhì)量。通過漿料構(gòu)成我們可以知道漿料屬于固液兩相流體。生產(chǎn)上對漿料質(zhì)量控制點(diǎn)主要有粘度、固含量、密度、細(xì)度和PH值。漿料的均勻一致性對于涂布工藝環(huán)節(jié)至關(guān)重要,檢驗(yàn)漿料均勻一致性可通過檢測不同區(qū)域漿料的質(zhì)量控制點(diǎn)獲取。

由于漿料粘度受溫度、攪拌速度、沉降時(shí)間等有關(guān),根據(jù)牛頓流體與非牛頓流體定義,我們把漿料歸為非牛頓流體。漿料在攪拌相對均勻后,隨著攪拌時(shí)間的增加,漿料粘度逐漸降低,最后趨于一個(gè)穩(wěn)定值。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn),鋰離子電池漿料在配比、均質(zhì)狀態(tài)下,存在隨著剪切率增加粘度減小的顯現(xiàn),即剪切稀釋現(xiàn)象。綜上,我們將鋰離子電池漿料歸結(jié)為有剪切稀釋現(xiàn)象的非牛頓流體。由于漿料根據(jù)材料不同、配比不同、勻漿情況不同,在不同條件下,漿料的流體特性存在著變化,本文只針對普遍和相對均一條件下的漿料流體特性進(jìn)行介紹。

密度ρ:鋰電池漿料密度一般在1400~2000kg/m3

粘度μ:鋰電池漿料根據(jù)不同工藝條件粘度一般控制在1~10Pa·s

在以上基礎(chǔ)上,我們已經(jīng)知道涂布頭的結(jié)構(gòu),由于本文主要關(guān)心涂布模頭內(nèi)流場狀態(tài),本文只建立流道液體模型。

用戶可通過第三方3D軟件進(jìn)行建模,然后導(dǎo)出stp或者x_t通用格式,然后通過import Assembly,將漿料流體的幾何模型導(dǎo)入。

1)建立幾何模型

創(chuàng)建With CFD Model,然后點(diǎn)擊File→Import→Aseembly,選擇導(dǎo)出的stpx_t文件,(本文導(dǎo)入選擇Assembly而沒有選擇Part,因?yàn)樵谥苯訉?dǎo)入Part時(shí),會出現(xiàn)導(dǎo)入殼體現(xiàn)象。)建立模型如下:

軸測圖

側(cè)視圖

2)創(chuàng)建材料屬性

由于本文建立模型,使用的為mm,及單位統(tǒng)一為mm制。

漿料密度1.7e-9 tone/mm3,粘度為1500cps,即1.5e-6MPa·s。將以上材料屬性賦給幾何模型。

3)創(chuàng)建裝配體

雖然以裝配體導(dǎo)入的幾何模型,但是系統(tǒng)識別為部件,需要切換到Assembly Model建立裝配體。

4)劃分網(wǎng)格

本文可通過分割工具,對模型進(jìn)行分割,采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、掃略網(wǎng)格和自下而上網(wǎng)格劃分對幾何進(jìn)行六面體Hex網(wǎng)格劃分,本文為節(jié)約網(wǎng)格劃分時(shí)間和計(jì)算時(shí)間,本文使用四面體Tet流體單元FC3D4。通過邊線布種控制網(wǎng)格密度,網(wǎng)格劃分結(jié)果如下:

網(wǎng)格劃分結(jié)果

5)創(chuàng)建流體分析步

進(jìn)入Step Module,創(chuàng)建流動分析步,Time Period:1,Initial time increment:0.001,Tubulence Model:None。此處的時(shí)間增量的選擇跟網(wǎng)格劃分質(zhì)量、載荷大小有關(guān)。考慮漿料粘度大,擠壓縫窄,速度小,選擇不使用雷諾模型。

編輯分析步對話框

6)創(chuàng)建邊界條件及載荷

邊界條件及載荷主要有三個(gè),具體操作可參考前面文章《ABAQUS/CFD基簡單知識與案例》。

①入口速度邊界條件,速度為0.5mm/s

②出口壓力邊界條件,0MPa

③流體避免邊界條件,無滑動(出去入口和出口)

7)創(chuàng)建任務(wù),并提交。

此步驟與之前案例分析步驟一樣,提交任務(wù)后,可進(jìn)行任務(wù)運(yùn)行監(jiān)測。完成后,點(diǎn)擊Result,自動導(dǎo)入運(yùn)行結(jié)果后,進(jìn)入Visualization Module。

8)后處理

通過后處理功能可查看涂布頭內(nèi)流場的壓力分布

速度分布

通過Stream工具,創(chuàng)建壓力或速度流線顯示效果圖,

如下為壓力流線顯示圖。

三,涂布外流場仿真分析篇

本節(jié)主要是通過ABAQUS / Explicit的CEL算法對涂布外流場進(jìn)行仿真分析,獲取涂布起始到穩(wěn)定的過程。用戶可根據(jù)教程查看給料速度、基材速度、涂布粘度等對涂布厚度的影響。

一、狹縫式擠壓涂布模型

關(guān)于狹縫擠壓涂布厚度的理論分析,用戶可查看本公眾號之前的文章《鋰離子動力電池?cái)D壓式涂布研究(1)——基本介紹篇》、聽風(fēng)扯淡公眾號下的文章《解析鋰離子電池極片狹縫式擠壓涂布流場熱性》、文獻(xiàn)“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.”、文獻(xiàn)“狹縫涂布理論建模與數(shù)值模擬”,以及擴(kuò)展文獻(xiàn)。狹縫式擠壓涂布外二維示意圖如下:

二、Abaqus算法選擇

Abaqus能夠進(jìn)行流體分析的方法主要有CEL(Coupled Eulerian-Lagrangian)歐拉耦合算法、CFD(Computational Fluid Dynamics)計(jì)算流體力學(xué)和SPH(Smooth Particale Hydrodynamics)光滑粒子流體動力學(xué)。關(guān)于三者的使用范圍及對比,用戶可百度搜索查看“Comparison of CEL, CFD, and SPH in Abaqus”一文。

CEL和CFD均采用流體材料流過固定的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)算法,因?yàn)镃EL能夠清晰的顯示流體材料自由面的顯示,而Abaqus/CFD不能,固本文選擇Abaqus CEL方法進(jìn)行。此外Abaqus/CAE后續(xù)版本不在有CFD模塊,CFD模塊融入到了3DEXPERIENCE r2017,相信后邊會完善本身類似FLUENT的VOF模型、能夠在CFD模塊添加流體。

三、Abaqus仿真應(yīng)用

1、建立部件及裝配幾何模型。

建立Exolicit Model。點(diǎn)擊打開Abaqus/CAE,選擇With Standard/Explicit Model。

創(chuàng)建如下Parts:流體區(qū)域幾何部件、入口速度推擠部件、涂布基材部件。因在顯示動力學(xué)分析中CEL算法下的流體材料入口無法選擇連續(xù)速度供給條件,本文將入口區(qū)域增加,添加一類似活塞作用的推塊以提供速度入口條件。裝配模型如下:

備注:

1)因采用CEL算法,需將使用部件設(shè)定為Eulerian類型,且必須選擇3D,如下圖所示,

2)為簡化模型為二維,我們建立部件過程將厚度設(shè)定為1。其他模型選擇為離散剛體,如下圖

3)在建立裝配過程中,建立的離散剛體實(shí)體部件不能直接加入裝配體,需在Part Module下選中剛體部件,通過菜單欄點(diǎn)擊Shape→Shell→From Solid,將其轉(zhuǎn)換為殼體。

4)創(chuàng)建裝配實(shí)體過程中選擇獨(dú)立網(wǎng)格形式。

2、建立材料屬性

建立漿料材料屬性為如下三個(gè)屬性:密度(Density)、粘度(Viscosity)、eos(equations of state)。在Explicit模型下,需借助狀態(tài)方程Us-Up進(jìn)行流體動力學(xué)的材料的創(chuàng)建,如下圖所示。

其他狀態(tài)方程使用方法及理論,用戶可查看Abaqus手冊,密度設(shè)定為1000,面對設(shè)定為5000。建立好材料后建立截面屬性,然后將界面屬性賦給流體區(qū)域幾何部件。

3、創(chuàng)建分析步,及輸出結(jié)果設(shè)定。

切換至Step Module,創(chuàng)建新的分析步,顯示動力學(xué),Time設(shè)定為20s,其他保持不變,創(chuàng)建結(jié)果如下圖。

創(chuàng)建流體區(qū)域的幾何分?jǐn)?shù)EVF顯示,及推塊及部件的位移輸出。

4、創(chuàng)建接觸特性及參考約束

建立Tangential Behavior接觸特性,摩擦方程選擇Penalty(罰函數(shù)),系數(shù)設(shè)定為10。因材料無法建立材料與基材間的粘結(jié)屬性,本文選擇Penalty接觸特性來建立流體材料與涂布基材的粘附效果。相關(guān)理論可查看Abaqus documentation 下的Abaqus/CAE User's Guide。

建立接觸面自接觸,如下圖所示

創(chuàng)建入口速度推擠部件的考點(diǎn),并建立點(diǎn)與部件的剛性約束。如下圖所示。同理建立涂布基材部件參考點(diǎn)和剛性約束。

5、劃分網(wǎng)格

通過分割工具對流體區(qū)域幾何部件進(jìn)行幾何分割,以能夠使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法,通過邊線布種,進(jìn)行網(wǎng)格劃分,劃分結(jié)果如下,流體區(qū)域幾何的網(wǎng)格類型為:EC3D8R。

6、創(chuàng)建載荷及邊界條件

1)創(chuàng)建涂布基材的邊界條件

建立除運(yùn)動方向外的位移約束

創(chuàng)建涂布基材的速度邊界條件

2)同理創(chuàng)建入口速度推擠部件邊界條件,建立位移約束和速度邊界條件。

速度邊界條件如下

3)創(chuàng)建流體區(qū)域幾何的邊界條件。

設(shè)定Z方向的內(nèi)外兩面Z方向初始速度邊界

設(shè)定入口兩側(cè)X方向初始速度邊界,如下圖所示

設(shè)定涂布頭出口處Y方向的初始速度邊界條件,如下圖所示

4)創(chuàng)建預(yù)定義場Material assignment,粉色區(qū)域?yàn)槌跏紩r(shí)流體填充區(qū)域,Void為零,表明材料填充完全。

7、創(chuàng)建分析任務(wù)、提交、及后處理。

創(chuàng)建任務(wù),提交后,可查看EVF,Void/Material volume fraction in element(Eulerrian)。點(diǎn)擊云圖進(jìn)行顯示,結(jié)果如下,紅色區(qū)域?yàn)榱黧w。

用戶可通過改變材料及基材速度等條件進(jìn)行查看對比。下圖為基材速度為24和30的效果對比圖。

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原文標(biāo)題:鋰離子動力電池制造過程的擠壓式涂布工序研究

文章出處:【微信號:Recycle-Li-Battery,微信公眾號:鋰電聯(lián)盟會長】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

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