鋰離子動力電池制造過程的擠壓式涂布工序簡單介紹
來源：寶鄂實業(yè)
2020-01-14 20:26
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一，基本介紹篇
一、擠壓式涂布類型
關(guān)于擠壓涂布我理解為通過流體通過擠壓經(jīng)過有特殊流道的涂布頭涂覆在運動的基材上。整個系統(tǒng)如下圖所示（圖片來自于Quinones D M, Carvalho M D S. EFFECT OF DIE LIP CONFIGURATION ON THE OPERATING WINDOW OF SLOT COATING PROCESS[J]. Abcm.org.br, 2006.）。
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潤濕唇口，前者潤濕唇口，后者沒有。鋰離子動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潤濕唇口，前者潤濕唇口，后者沒有。鋰離子動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)
二、狹縫式擠壓涂布原理介紹
狹縫式擠壓涂布的流動分布二維示意圖如下：圖片來自于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)資源進行深入了解）與Prof. Marcio 的潤滑近似模型，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械配合、流體粘度跟來料漿料有關(guān)、基材速度為電機控制、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)其實比較簡單，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），上模相對比較簡單，墊片位于上下模之間可根據(jù)不同的涂布形式進行選擇（例如斑馬線、全涂等）。
二，漿料特性篇
一、漿料構(gòu)成
鋰離子動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，
二、漿料特性
漿料作為涂布工序的來料，其特性直接影響涂布質(zhì)量。通過漿料構(gòu)成我們可以知道漿料屬于固液兩相流體。生產(chǎn)上對漿料質(zhì)量控制點主要有粘度、固含量、密度、細度和PH值。漿料的均勻一致性對于涂布工藝環(huán)節(jié)至關(guān)重要，檢驗漿料均勻一致性可通過檢測不同區(qū)域漿料的質(zhì)量控制點獲取。
由于漿料粘度受溫度、攪拌速度、沉降時間等有關(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。漿料在攪拌相對均勻后，隨著攪拌時間的增加，漿料粘度逐漸降低，最后趨于一個穩(wěn)定值。根據(jù)相關(guān)文獻，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，本文只針對普遍和相對均一條件下的漿料流體特性進行介紹。
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)流場狀態(tài)，本文只建立流道液體模型。
用戶可通過第三方3D軟件進行建模，然后導(dǎo)出stp或者x_t通用格式，然后通過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而沒有選擇Part，因為在直接導(dǎo)入Part時，會出現(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
本文可通過分割工具，對模型進行分割，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、掃略網(wǎng)格和自下而上網(wǎng)格劃分對幾何進行六面體Hex網(wǎng)格劃分，本文為節(jié)約網(wǎng)格劃分時間和計算時間，本文使用四面體Tet流體單元FC3D4。通過邊線布種控制網(wǎng)格密度，網(wǎng)格劃分結(jié)果如下：
5）創(chuàng)建流體分析步
進入Step Module，創(chuàng)建流動分析步，Time Period：1，Initial time increment：0.001，Tubulence Model：None。此處的時間增量的選擇跟網(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。
6）創(chuàng)建邊界條件及載荷
邊界條件及載荷主要有三個，具體操作可參考前面文章《ABAQUS/CFD基簡單知識與案例》。
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，無滑動（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，可進行任務(wù)運行監(jiān)測。完成后，點擊Result，自動導(dǎo)入運行結(jié)果后，進入Visualization Module。
8）后處理
通過后處理功能可查看涂布頭內(nèi)流場的壓力分布
三，涂布外流場仿真分析篇
本節(jié)主要是通過ABAQUS / Explicit的CEL算法對涂布外流場進行仿真分析，獲取涂布起始到穩(wěn)定的過程。用戶可根據(jù)教程查看給料速度、基材速度、涂布粘度等對涂布厚度的影響。
一、狹縫式擠壓涂布模型
二、Abaqus算法選擇
Abaqus能夠進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）計算流體力學(xué)和SPH（Smooth Particale Hydrodynamics）光滑粒子流體動力學(xué)。關(guān)于三者的使用范圍及對比，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固定的網(wǎng)格節(jié)點算法，因為CEL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，相信后邊會完善本身類似FLUENT的VOF模型、能夠在CFD模塊添加流體。
