基于ANSYS的锂电池涂布机模头应用分析

引言

我国锂电池行业从20世纪90年代后期才开始兴起。早期设备大部分依赖国外进口,并且国外的锂电池设备企业对国内电芯厂家进行了技术封锁。随着国家对新能源产业的重视,企业研发资金的投入,技术人员的不断钻研,国内锂电池设备技术逐步地发展起来。锂电池前端设备主要负责电池正负极片的浆料涂布和分条处理,其中正负极浆料在基材上涂布厚度的均匀性,是电池稳定性的决定性因素之一。本文的研究对象涂布模头,正是安装在锂电池前端设备涂布机上的核心零部件。

1国内外涂布机模头相关研究综述

伴随着市场对锂电池全自动设备的需求,1990年,日本Kaido公司成功开发出锂电池卷绕机。1999年,韩国Koem公司也成功开发出锂离子电池卷绕机和锂离子电池装配机,成功促使锂离子电池卷绕机价格下降,降低了电池厂家进入的门槛,扩大了自动化设备的市场普及率。

进入21世纪以后,国内的锂电池设备生产商在借鉴国外现有技术的基础上,结合国内的实际情况,逐渐在锂电池生产设备领域发展起来。涂布模头是关系到涂布设备精度和稳定性的核心部件,其市场前景非常广阔。目前,国外知名的涂布模头厂家有日本三菱、美国EDI、韩国希欧泰克、德国Coatema。长期以来,锂电池极片涂布模头的市场一直被这些开发较早的国外厂家占据。

而对于涂布模头的产业化,国内企业由于技术研发经验不足,同时在机械的精密加工方法上存在一定的技术难题,导致国产模头在精度性能以及产品的稳定性上一直达不到国外先进技术水平。据了解,三菱公司的涂布模头涂布厚度精度可以做到士1μm,但国产模头的涂布厚度精度只能达到士3μm左右。在使用性方面,国外模头很少出现问题,而国产模头的稳定性较差,这也是国内锂电池生产厂家优先选择进口模头的重要原因。

2基于ANSYS软件对涂布模头的仿真模拟及优化

下面首先针对目前国内市场上常规的挤压式双腔涂布模头进行仿真模拟分析(图1),得出相应的模头出口端的浆料流动速度曲线。然后,针对曲线中出现的较大速度偏移点进行原因分析,尝试通过改变浆料入口速度、模头条缝间隙、垫片出口位的斜口尺寸等来分别进行模拟分析,尝试寻找能够得到均匀性更高的出口浆料速度曲线的参数,以便进一步提高涂层厚度的均匀一致性。

图1 挤压式双腔涂布模头模型图

2.1基于ANSYS对双腔涂布模头的仿真模拟

以锂电池极片涂布浆料特性来确定输入参数,浆料的密度为2100kg/m3,黏度为6Pa·S(6000cP),设置浆料入口速度为0.02m/S,出口处压力设置为一个标准大气压101325Pa。

本文将用ANSYS18.0对涂布模头进行流体动力学仿真分析,Tecplot处理数据,步骤如下:

(1)将双腔式涂布模头模型另存为中间格式Stp文件。

(2)用SpaceClaim(SCDM)打开转换成Stp格式的三维模型并抽取内流模型体积。

(3)在SpaceClaim界面下启动ANSYSworkbench,进入workbench平台,在左侧Toolbox中启动MeSh模块,关联Geometry模型,双击MeSh进入到Mechanical界面,在Mechanical界面选中进出口两个端面,分别命名进口端为inlet,出口端为outlet。

(4)右键MeSh插入Method,网格划分方法选择Multizone,在DetailofMultizone下找到Advanced,把Advanced下writeICEMCFDFileS设置选项改为Interactive,右击MeSh,选择GenerateMeSh,系统自动启动并进入ICEMCFD软件,在ICEMCFD软件中通过Block将模型划分多块、0型切分、整体网格尺寸控制等功能,得到六面体网格模型,在MeSh下显示六面体网格。

(5)关闭Mechanical回到workbench平台,在界面右侧Toolbox双击FluidFlow(Fluent),将画好网格的MeSh模块关联到Fluent下的MeSh,更新MeSh模块后再更新Fluent下的MeSh,更新完成后双击Setup,启动设置界面的ProceSSing0ptionS设置Parallel,启动多核心并行计算,点0K进入Fluent软件界面。

(6)在Fluent界面保存工程文件,系统自动生成.dat和.caS的数据文件,打开Tecplot软件,在软件界面左侧Plot窗口把默认的3DCarteSian改为xYLine,弹出CreateMappingS,在x-AxiS和Y-AxiS分别选择想要的绘图变量。

(7)利用Tecplot以涂布模头出口断面的中心线上取点抓取浆料流速的数据。

如图2所示,从得到的出口处速度曲线来看,出口端面的速度整体来说比较均匀,在出口面的两端出现突起,显示最大流速为0.019579m/S。浆料出口处的流速和涂布厚度成正比,由此可知,速度快会导致浆料在基材上的两端比起中间的涂布层较厚。

在银压工艺中,压力载荷首先接触的是两端因速度较快而产生的涂布层厚度较厚部分,先把这部分压实到一定程度后才会对中间平坦处进行压实作用,这样就会影响到中间厚度均匀层的压实质量。

而理想的速度曲线应该消除尖角部分,即压力载荷首先接触的是涂布厚度较为均匀的中间涂布层,这样可以充分利用压力载荷对绝大部分涂布表面进行更有效的压实作业,从而保证压实后的面密度质量。

2.2改变参数,基于ANSYS仿真分析模头出口流速变化

根据双腔涂布模头的仿真模拟分析结果,下面从改变浆料入口流速、条缝间隙、垫片形状来分别进行仿真模拟分析,从而达到优化涂层厚度均匀性的研究目的。基于浆料密度2100kg/m3,黏度6Pa·S(6000cP),设置浆料入口速度0.02m/S,出口压力为一个标准大气压101325Pa,条缝间隙0.3mm,出口处垫片斜角0o为原始模型,改变入口速度分别为0.04m/S、0.06m/S,改变垫片厚度分别为0.5mm、1mm、5mm,最后改变垫片形状来分别进行仿真模拟分析。经过一系列的仿真模拟分析,在保持原始输入条件不变的情况下,发现当垫片的出口处斜角角度为5×0.5o时,所得到的速度曲线显示速度均匀性最好,达到了优化厚度均匀性的目的。

采用以上分析步骤,利用Tecplot以涂布模头出口断面的中心线上取点抓取浆料流速的数据,得到出口速度变化曲线如图3所示。

从图3可以看出,当垫片斜角角度设置为5×0.5o时,两端曲线的宽度方向已基本和0o原始数据时接近,并且是处于中间速度均匀涂层的下方,不会影响到银压后的压实质量,达到了优化出口端速度曲线的目的。

3涂布厚度均匀性的验证

参考上面的仿真模拟分析结果,在一个锂电池生产厂家的涂布车间,利用涂布机生产设备、激光在线测厚系统搭建一个实验系统,保持原有涂布参数不变,在原有的0o无倒角的垫片出口处上增加一个5×0.5o的斜角,安装到涂布机进行生产测试,对产出的极片涂布的浆料厚度进行激光在线测厚,得出涂布厚度数据,验证是否和模拟分析得到的速度曲线相吻合。

针对涂布层宽度方向取10个点,激光在线测厚仪检测得出的厚度横向趋势图如图4所示。可以看到,涂布厚度最大为117.9μm,最小为115.2μm,厚度平均值为116.7μm,涂布厚度精度范围可达到士1.4μm,接近国际先进水平。其中最小厚度基本处于两端,最大厚度偏向于中间位置。

4结语

综上所述,实验结果和仿真模拟的垫片出口两端增加5×0.5°斜角的速度曲线形状结果对应一致,实验验证的涂布厚度结果和仿真模拟的速度曲线基本吻合。