引言

我國鋰電池行業(yè)從20世紀90年代后期才開始興起。早期設(shè)備大部分依賴國外進口,并且國外的鋰電池設(shè)備企業(yè)對國內(nèi)電芯廠家進行了技術(shù)封鎖。隨著國家對新能源產(chǎn)業(yè)的重視,企業(yè)研發(fā)資金的投入,技術(shù)人員的不斷鉆研,國內(nèi)鋰電池設(shè)備技術(shù)逐步地發(fā)展起來。鋰電池前端設(shè)備主要負責電池正負極片的漿料涂布和分條處理,其中正負極漿料在基材上涂布厚度的均勻性,是電池穩(wěn)定性的決定性因素之一。本文的研究對象涂布模頭,正是安裝在鋰電池前端設(shè)備涂布機上的核心零部件。

1國內(nèi)外涂布機模頭相關(guān)研究綜述

伴隨著市場對鋰電池全自動設(shè)備的需求,1990年,日本Kaido公司成功開發(fā)出鋰電池卷繞機。1999年,韓國Koem公司也成功開發(fā)出鋰離子電池卷繞機和鋰離子電池裝配機,成功促使鋰離子電池卷繞機價格下降,降低了電池廠家進入的門檻,擴大了自動化設(shè)備的市場普及率。

進入21世紀以后,國內(nèi)的鋰電池設(shè)備生產(chǎn)商在借鑒國外現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上,結(jié)合國內(nèi)的實際情況,逐漸在鋰電池生產(chǎn)設(shè)備領(lǐng)域發(fā)展起來。涂布模頭是關(guān)系到涂布設(shè)備精度和穩(wěn)定性的核心部件,其市場前景非常廣闊。目前,國外知名的涂布模頭廠家有日本三菱、美國EDI、韓國希歐泰克、德國Coatema。長期以來,鋰電池極片涂布模頭的市場一直被這些開發(fā)較早的國外廠家占據(jù)。

而對于涂布模頭的產(chǎn)業(yè)化,國內(nèi)企業(yè)由于技術(shù)研發(fā)經(jīng)驗不足,同時在機械的精密加工方法上存在一定的技術(shù)難題,導致國產(chǎn)模頭在精度性能以及產(chǎn)品的穩(wěn)定性上一直達不到國外先進技術(shù)水平。據(jù)了解,三菱公司的涂布模頭涂布厚度精度可以做到士1μm,但國產(chǎn)模頭的涂布厚度精度只能達到士3μm左右。在使用性方面,國外模頭很少出現(xiàn)問題,而國產(chǎn)模頭的穩(wěn)定性較差,這也是國內(nèi)鋰電池生產(chǎn)廠家優(yōu)先選擇進口模頭的重要原因。

2基于ANSYS軟件對涂布模頭的仿真模擬及優(yōu)化

下面首先針對目前國內(nèi)市場上常規(guī)的擠壓式雙腔涂布模頭進行仿真模擬分析(圖1),得出相應的模頭出口端的漿料流動速度曲線。然后,針對曲線中出現(xiàn)的較大速度偏移點進行原因分析,嘗試通過改變漿料入口速度、模頭條縫間隙、墊片出口位的斜口尺寸等來分別進行模擬分析,嘗試尋找能夠得到均勻性更高的出口漿料速度曲線的參數(shù),以便進一步提高涂層厚度的均勻一致性。

圖1 擠壓式雙腔涂布模頭模型圖

2.1基于ANSYS對雙腔涂布模頭的仿真模擬

以鋰電池極片涂布漿料特性來確定輸入?yún)?shù),漿料的密度為2100kg/m3,黏度為6Pa·S(6000cP),設(shè)置漿料入口速度為0.02m/S,出口處壓力設(shè)置為一個標準大氣壓101325Pa。

本文將用ANSYS18.0對涂布模頭進行流體動力學仿真分析,Tecplot處理數(shù)據(jù),步驟如下:

(1)將雙腔式涂布模頭模型另存為中間格式Stp文件。

(2)用SpaceClaim(SCDM)打開轉(zhuǎn)換成Stp格式的三維模型并抽取內(nèi)流模型體積。

(3)在SpaceClaim界面下啟動ANSYSworkbench,進入workbench平臺,在左側(cè)Toolbox中啟動MeSh模塊,關(guān)聯(lián)Geometry模型,雙擊MeSh進入到Mechanical界面,在Mechanical界面選中進出口兩個端面,分別命名進口端為inlet,出口端為outlet。

(4)右鍵MeSh插入Method,網(wǎng)格劃分方法選擇Multizone,在DetailofMultizone下找到Advanced,把Advanced下writeICEMCFDFileS設(shè)置選項改為Interactive,右擊MeSh,選擇GenerateMeSh,系統(tǒng)自動啟動并進入ICEMCFD軟件,在ICEMCFD軟件中通過Block將模型劃分多塊、0型切分、整體網(wǎng)格尺寸控制等功能,得到六面體網(wǎng)格模型,在MeSh下顯示六面體網(wǎng)格。

(5)關(guān)閉Mechanical回到workbench平臺,在界面右側(cè)Toolbox雙擊FluidFlow(Fluent),將畫好網(wǎng)格的MeSh模塊關(guān)聯(lián)到Fluent下的MeSh,更新MeSh模塊后再更新Fluent下的MeSh,更新完成后雙擊Setup,啟動設(shè)置界面的ProceSSing0ptionS設(shè)置Parallel,啟動多核心并行計算,點0K進入Fluent軟件界面。

(6)在Fluent界面保存工程文件,系統(tǒng)自動生成.dat和.caS的數(shù)據(jù)文件,打開Tecplot軟件,在軟件界面左側(cè)Plot窗口把默認的3DCarteSian改為xYLine,彈出CreateMappingS,在x-AxiS和Y-AxiS分別選擇想要的繪圖變量。

(7)利用Tecplot以涂布模頭出口斷面的中心線上取點抓取漿料流速的數(shù)據(jù)。

如圖2所示,從得到的出口處速度曲線來看,出口端面的速度整體來說比較均勻,在出口面的兩端出現(xiàn)突起,顯示最大流速為0.019579m/S。漿料出口處的流速和涂布厚度成正比,由此可知,速度快會導致漿料在基材上的兩端比起中間的涂布層較厚。

在銀壓工藝中,壓力載荷首先接觸的是兩端因速度較快而產(chǎn)生的涂布層厚度較厚部分,先把這部分壓實到一定程度后才會對中間平坦處進行壓實作用,這樣就會影響到中間厚度均勻?qū)拥膲簩嵸|(zhì)量。

而理想的速度曲線應該消除尖角部分,即壓力載荷首先接觸的是涂布厚度較為均勻的中間涂布層,這樣可以充分利用壓力載荷對絕大部分涂布表面進行更有效的壓實作業(yè),從而保證壓實后的面密度質(zhì)量。

2.2改變參數(shù),基于ANSYS仿真分析模頭出口流速變化

根據(jù)雙腔涂布模頭的仿真模擬分析結(jié)果,下面從改變漿料入口流速、條縫間隙、墊片形狀來分別進行仿真模擬分析,從而達到優(yōu)化涂層厚度均勻性的研究目的。基于漿料密度2100kg/m3,黏度6Pa·S(6000cP),設(shè)置漿料入口速度0.02m/S,出口壓力為一個標準大氣壓101325Pa,條縫間隙0.3mm,出口處墊片斜角0o為原始模型,改變?nèi)肟谒俣确謩e為0.04m/S、0.06m/S,改變墊片厚度分別為0.5mm、1mm、5mm,最后改變墊片形狀來分別進行仿真模擬分析。經(jīng)過一系列的仿真模擬分析,在保持原始輸入條件不變的情況下,發(fā)現(xiàn)當墊片的出口處斜角角度為5×0.5o時,所得到的速度曲線顯示速度均勻性最好,達到了優(yōu)化厚度均勻性的目的。

采用以上分析步驟,利用Tecplot以涂布模頭出口斷面的中心線上取點抓取漿料流速的數(shù)據(jù),得到出口速度變化曲線如圖3所示。

從圖3可以看出,當墊片斜角角度設(shè)置為5×0.5o時,兩端曲線的寬度方向已基本和0o原始數(shù)據(jù)時接近,并且是處于中間速度均勻涂層的下方,不會影響到銀壓后的壓實質(zhì)量,達到了優(yōu)化出口端速度曲線的目的。

3涂布厚度均勻性的驗證

參考上面的仿真模擬分析結(jié)果,在一個鋰電池生產(chǎn)廠家的涂布車間,利用涂布機生產(chǎn)設(shè)備、激光在線測厚系統(tǒng)搭建一個實驗系統(tǒng),保持原有涂布參數(shù)不變,在原有的0o無倒角的墊片出口處上增加一個5×0.5o的斜角,安裝到涂布機進行生產(chǎn)測試,對產(chǎn)出的極片涂布的漿料厚度進行激光在線測厚,得出涂布厚度數(shù)據(jù),驗證是否和模擬分析得到的速度曲線相吻合。

針對涂布層寬度方向取10個點,激光在線測厚儀檢測得出的厚度橫向趨勢圖如圖4所示?？梢钥吹?涂布厚度最大為117.9μm,最小為115.2μm,厚度平均值為116.7μm,涂布厚度精度范圍可達到士1.4μm,接近國際先進水平。其中最小厚度基本處于兩端,最大厚度偏向于中間位置。

4結(jié)語

綜上所述,實驗結(jié)果和仿真模擬的墊片出口兩端增加5×0.5°斜角的速度曲線形狀結(jié)果對應一致,實驗驗證的涂布厚度結(jié)果和仿真模擬的速度曲線基本吻合。