基于ANSYS的鋰電池涂布機(jī)模頭應(yīng)用分析

引言

我國(guó)鋰電池行業(yè)從20世紀(jì)90年代后期才開始興起。早期設(shè)備大部分依賴國(guó)外進(jìn)口,并且國(guó)外的鋰電池設(shè)備企業(yè)對(duì)國(guó)內(nèi)電芯廠家進(jìn)行了技術(shù)封鎖。隨著國(guó)家對(duì)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(guó)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(fù)責(zé)電池正負(fù)極片的漿料涂布和分條處理,其中正負(fù)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(duì)象涂布模頭,正是安裝在鋰電池前端設(shè)備涂布機(jī)上的核心零部件。

1國(guó)內(nèi)外涂布機(jī)模頭相關(guān)研究綜述

伴隨著市場(chǎng)對(duì)鋰電池全自動(dòng)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(jī)。1999年,韓國(guó)Koem公司也成功開發(fā)出鋰離子電池卷繞機(jī)和鋰離子電池裝配機(jī),成功促使鋰離子電池卷繞機(jī)價(jià)格下降,降低了電池廠家進(jìn)入的門檻,擴(kuò)大了自動(dòng)化設(shè)備的市場(chǎng)普及率。

進(jìn)入21世紀(jì)以后,國(guó)內(nèi)的鋰電池設(shè)備生產(chǎn)商在借鑒國(guó)外現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上,結(jié)合國(guó)內(nèi)的實(shí)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(chǎng)前景非常廣闊。目前,國(guó)外知名的涂布模頭廠家有日本三菱、美國(guó)EDI、韓國(guó)希歐泰克、德國(guó)Coatema。長(zhǎng)期以來,鋰電池極片涂布模頭的市場(chǎng)一直被這些開發(fā)較早的國(guó)外廠家占據(jù)。

而對(duì)于涂布模頭的產(chǎn)業(yè)化,國(guó)內(nèi)企業(yè)由于技術(shù)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)不足,同時(shí)在機(jī)械的精密加工方法上存在一定的技術(shù)難題,導(dǎo)致國(guó)產(chǎn)模頭在精度性能以及產(chǎn)品的穩(wěn)定性上一直達(dá)不到國(guó)外先進(jìn)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(guó)產(chǎn)模頭的涂布厚度精度只能達(dá)到士3μm左右。在使用性方面,國(guó)外模頭很少出現(xiàn)問題,而國(guó)產(chǎn)模頭的穩(wěn)定性較差,這也是國(guó)內(nèi)鋰電池生產(chǎn)廠家優(yōu)先選擇進(jìn)口模頭的重要原因。

2基于ANSYS軟件對(duì)涂布模頭的仿真模擬及優(yōu)化

下面首先針對(duì)目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上常規(guī)的擠壓式雙腔涂布模頭進(jìn)行仿真模擬分析(圖1),得出相應(yīng)的模頭出口端的漿料流動(dòng)速度曲線。然后,針對(duì)曲線中出現(xiàn)的較大速度偏移點(diǎn)進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(duì)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101325Pa。

本文將用ANSYS18.0對(duì)涂布模頭進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)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(dòng)ANSYSworkbench,進(jìn)入workbench平臺(tái),在左側(cè)Toolbox中啟動(dòng)MeSh模塊,關(guān)聯(lián)Geometry模型,雙擊MeSh進(jìn)入到Mechanical界面,在Mechanical界面選中進(jìn)出口兩個(gè)端面,分別命名進(jìn)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(xiàng)改為Interactive,右擊MeSh,選擇GenerateMeSh,系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)并進(jìn)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(tái),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(dòng)設(shè)置界面的ProceSSing0ptionS設(shè)置Parallel,啟動(dòng)多核心并行計(jì)算,點(diǎn)0K進(jìn)入Fluent軟件界面。

(6)在Fluent界面保存工程文件,系統(tǒng)自動(dòng)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(rèn)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(diǎn)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(huì)導(dǎo)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(shí)到一定程度后才會(huì)對(duì)中間平坦處進(jìn)行壓實(shí)作用,這樣就會(huì)影響到中間厚度均勻?qū)拥膲簩?shí)質(zhì)量。

而理想的速度曲線應(yīng)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(duì)絕大部分涂布表面進(jìn)行更有效的壓實(shí)作業(yè),從而保證壓實(shí)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(jìn)行仿真模擬分析,從而達(dá)到優(yōu)化涂層厚度均勻性的研究目的?；跐{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(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(dāng)墊片的出口處斜角角度為5×0.5o時(shí),所得到的速度曲線顯示速度均勻性最好,達(dá)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(diǎn)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(dāng)墊片斜角角度設(shè)置為5×0.5o時(shí),兩端曲線的寬度方向已基本和0o原始數(shù)據(jù)時(shí)接近,并且是處于中間速度均勻涂層的下方,不會(huì)影響到銀壓后的壓實(shí)質(zhì)量,達(dá)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(yàn)證

參考上面的仿真模擬分析結(jié)果,在一個(gè)鋰電池生產(chǎn)廠家的涂布車間,利用涂布機(jī)生產(chǎn)設(shè)備、激光在線測(cè)厚系統(tǒng)搭建一個(gè)實(shí)驗(yàn)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(gè)5×0.5o的斜角,安裝到涂布機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)測(cè)試,對(duì)產(chǎn)出的極片涂布的漿料厚度進(jìn)行激光在線測(cè)厚,得出涂布厚度數(shù)據(jù),驗(yàn)證是否和模擬分析得到的速度曲線相吻合。

針對(duì)涂布層寬度方向取10個(gè)點(diǎn),激光在線測(cè)厚儀檢測(cè)得出的厚度橫向趨勢(shì)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(dá)到士1.4μm,接近國(guó)際先進(jìn)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(yǔ)

綜上所述,實(shí)驗(yàn)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(duì)應(yīng)一致,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的涂布厚度結(jié)果和仿真模擬的速度曲線基本吻合。