鋰離子電池?cái)D壓式涂布研究：本文主要對(duì)鋰離子動(dòng)力電池制造過(guò)程的擠壓式涂布工序進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，并結(jié)合Abaqus軟件對(duì)其涂布工藝進(jìn)行研究。

一，基本介紹篇

1、擠壓式涂布類型

關(guān)于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。整個(gè)系統(tǒng)如下圖所示。

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(wú)潤(rùn)濕唇口，前者潤(rùn)濕唇口，后者沒(méi)有。鋰離子動(dòng)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(wú)潤(rùn)濕唇口，前者潤(rùn)濕唇口，后者沒(méi)有。鋰離子動(dòng)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)

2、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《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(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。

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，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(duì)比較簡(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。




三，漿料特性篇

1、漿料構(gòu)成

鋰離子動(dòng)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

2、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)成我們可以知道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)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(duì)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定義，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(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(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)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stp x_t文件，（本文導(dǎo)入選擇Assembly而沒(méi)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-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(shí)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(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：


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(dòng)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)?？紤]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

邊界條件及載荷主要有三個(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流體避免邊界條件，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一樣，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Visualization Module。

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


通過(guò)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(chǎng)仿真分析篇

本節(jié)主要是通過(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(dòng)力學(xué)。關(guān)于三者的使用范圍及對(duì)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(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(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Exolicit Model。點(diǎn)擊打開(kāi)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(dòng)力學(xué)分析中CEL算法下的流體材料入口無(wú)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(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Part Module下選中剛體部件，通過(guò)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(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（equations of state）。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，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(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Step Module，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(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(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)定義場(chǎng)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(guò)改變材料及基材速度等條件進(jìn)行查看對(duì)比。下圖為基材速度為24和30的效果對(duì)比圖。