鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：629次 | 2023年04月24日
鋰離子動(dòng)力鋰離子電池制造過(guò)程的擠壓式涂布工序的簡(jiǎn)單介紹
一，基本介紹篇
一、擠壓式涂布類型
有關(guān)擠壓涂布我理解為通過(guò)流體通過(guò)擠壓經(jīng)過(guò)有特殊流道的涂布頭涂覆在運(yùn)動(dòng)的基材上。
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（SlotCoating）和擠壓式涂布（ExtrusionCoating），如下圖所示。兩者的差別重要在于流體有無(wú)潤(rùn)濕唇口，前者潤(rùn)濕唇口，后者沒有。鋰離子動(dòng)力鋰電池的涂布工藝采用的是狹縫式擠壓涂布（SoltCoating）。
兩者的差別重要在于流體有無(wú)潤(rùn)濕唇口，前者潤(rùn)濕唇口，后者沒有。鋰離子動(dòng)力鋰電池的涂布工藝采用的是狹縫式擠壓涂布（SoltCoating），涂布系統(tǒng)
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
二、狹縫式擠壓涂布原理介紹
狹縫式擠壓涂布的流動(dòng)分布二維示意圖如下：圖片來(lái)自于Prof.Marcio的一篇文章《FundamentalsofSlotCoatingProcess》
決定涂布質(zhì)量的因素重要包括：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(kù)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(rùn)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(lái)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。
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備
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(jiǎn)單，重要包括上模、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），上模相比較較簡(jiǎn)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(dòng)力鋰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(lái)料，其特性直接影響涂布質(zhì)量。通過(guò)漿料構(gòu)成我們可以了解漿料屬于固液兩相流體。生產(chǎn)上對(duì)漿料質(zhì)量控制點(diǎn)重要有粘度、固含量、密度、細(xì)度和PH值。漿料的均勻一致性關(guān)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(guò)檢測(cè)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含義，我們把漿料歸為非牛頓流體。漿料在攪拌相對(duì)均勻后，隨著攪拌時(shí)間的新增，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，存在隨著剪切率新增粘度減小的顯現(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(duì)普遍和相對(duì)均一條件下的漿料流體特性進(jìn)行介紹。
密度ρ：鋰離子電池漿料密度一般在1400~2000kg/m³
粘度μ：鋰離子電池漿料根據(jù)不同工藝條件粘度一般控制在1~10Pas
在以上基礎(chǔ)上，我們已經(jīng)了解涂布頭的結(jié)構(gòu)，由于本文重要關(guān)心涂布模頭內(nèi)流場(chǎng)狀態(tài)，本文只建立流道液體模型。
用戶可通過(guò)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(guò)importAssembly，將漿料流體的幾何模型導(dǎo)入。
1）建立幾何模型
創(chuàng)建WithCFDModel，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(huì)出現(xiàn)導(dǎo)入殼體現(xiàn)象。）建立模型如下：
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-9tone/mm³，粘度為1500cps，即1.5e-6MPas。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(shí)別為部件，要切換到AssemblyModel建立裝配體。
4）劃分網(wǎng)格
本文可通過(guò)分割工具，對(duì)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(duì)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(guò)邊線布種控制網(wǎng)格密度，網(wǎng)格劃分結(jié)果如下：
5）創(chuàng)建流體分析步
進(jìn)入StepModule，創(chuàng)建流動(dòng)分析步，TimePeriod：1，Initialtimeincrement：0.001，TubulenceModel：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(duì)話框
6）創(chuàng)建邊界條件及載荷
邊界條件及載荷重要有三個(gè)，具體操作可參考前面文章《ABAQUS/CFD基簡(jiǎn)單知識(shí)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流體防止邊界條件，無(wú)滑動(dòng)（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相同，提交任務(wù)后，可進(jìn)行任務(wù)運(yùn)行監(jiān)測(cè)。完成后，點(diǎn)擊Result，自動(dòng)導(dǎo)入運(yùn)行結(jié)果后，進(jìn)入VisualizationModule。
8）后處理
通過(guò)后處理功能可查看涂布頭內(nèi)流場(chǎng)的壓力分布
速度分布
三，涂布外流場(chǎng)仿真分析篇
本節(jié)重要是通過(guò)ABAQUS/Explicit的CEL算法對(duì)涂布外流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，獲取涂布起始到穩(wěn)定的過(guò)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(duì)涂布厚度的影響。
一、狹縫式擠壓涂布模型
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)行流體分析的方法重要有CEL（CoupledEulerian-Lagrangian）歐拉耦合算法、CFD（ComputationalFluidDynamics）計(jì)算流體力學(xué)和SPH（SmoothParticaleHydrodynamics）光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)。有關(guān)三者的使用范圍及比較，用戶可百度搜索查看ComparisonofCEL,CFD,andSPHinAbaqus一文。
CEL和CFD均采用流體材料流過(guò)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AbaqusCEL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3DEXPERIENCEr2017，相信后邊會(huì)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ExolicitModel。點(diǎn)擊打開Abaqus/CAE，選擇WithStandard/ExplicitModel。
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(dòng)力學(xué)分析中CEL算法下的流體材料入口無(wú)法選擇持續(xù)速度供給條件，本文將入口區(qū)域新增，添加一類似活塞用途的推塊以供應(yīng)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(jiǎn)化模型為二維，我們建立部件過(guò)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(guò)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PartModule下選中剛體部件，通過(guò)菜單欄點(diǎn)擊Shape→Shell→FromSolid，將其轉(zhuǎn)換為殼體。
4）創(chuàng)建裝配實(shí)體過(guò)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（equationsofstate）。在Explicit模型下，需借助狀態(tài)方程Us-Up進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)的材料的創(chuàng)建，
其他狀態(tài)方程使用方法及理論，用戶可查看Abaqus手冊(cè)，密度設(shè)定為1000，面對(duì)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StepModule，創(chuàng)建新的分析步，顯示動(dòng)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TangentialBehavior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(wú)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(lái)建立流體材料與涂布基材的粘附效果。相關(guān)理論可查看Abaqusdocumentation下的Abaqus/CAEUser'sGuide。
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(guò)分割工具對(duì)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(guò)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(dòng)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)含義場(chǎng)Materialassignment，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/Materialvolumefractioninelement（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。
