Zusammenfassung: Lithium-Ionen-Batteriepacks haben die Eigenschaften einer großen Viskosität der Aufschlämmung, einer dicken Beschichtung, eines dünnen Substrats und hoher Präzisionsanforderungen.Zum gegenwärtigen Zeitpunkt wird die Spalt-Extrusionsbeschichtungstechnologie weitverbreitet verwendet.Finite-Element-Analyse unter Verwendung von Experimenten und Hydrodynamik Methoden Das anfängliche Strömungsfeld einer Lithiumionenbatterieanodenaufschlämmung auf dem Kupferfoliensubstrat wurde analysiert.Die Ergebnisse zeigen, dass die simulierte Beschichtungsdicke mit den experimentellenErgebnissen übereinstimmt, was zeigt, dass das Berechnungsmodell zuverlässig ist.Wenn die Aufschlämmungseinlassgeschwindigkeit ist Bei 0,035 m / s kann die durch das Substrat in dem externen Strömungsfeldbereich entfernte Aufschlämmung rechtzeitig nachgefüllt werden, und sowohl der obere Strömungskanal als auch der untere Strömungskanal können in der kürzesten Zeit stabilisiert werden.Dies ist der optimale Beschichtungsbetriebsbereich.
Der Herstellungsprozess des Polschuhs stellt den grundlegenden Prozess für die Herstellung von Lithium-Ionen-Leistungsbatterien dar. Die Anforderungen an Gerätegenauigkeit, Intelligenz und Zuverlässigkeit der Produktionsleistung sind sehr hoch.Zur Zeit hat die Lithium-Ionen-Leistungsbatterieindustrie die Schlitz-Extrusionsbeschichtung weithin übernommen. Technologie: Die Spaltbeschichtung ist eine fortschrittliche, vordosierte Beschichtungstechnik, bei der das der Extrusionsdüse zugeführte Fluid vollständig auf das Substrat aufgetragen wird, und zwar bei einer gegebenen Beladungsrate, Beschichtungsbreite und Substratgeschwindigkeit Die Beschichtungsmenge der Beschichtung kann unabhängig von den rheologischen Eigenschaften der Aufschlämmungsflüssigkeit genauer geschätzt werden, jedoch werden in dem tatsächlichen Verfahren die Gleichmäßigkeit der Beschichtungslösung, die Stabilität, die Kanten- und Oberflächeneffekte durch den Fluss der Beschichtungslösung beeinflusst. Ändern Eigenschaften und somit direkt bestimmen die Qualität der Beschichtung.Lithium-Ionen-Power-Batterie-Pol Beschichtung Prozess hat seine eigenen Eigenschaften: Doppelseitige Single-Layer-Beschichtung; Slurry nass Beschichtung ist dick, in der Regel 100 ~ 300μm; Hohe Beschichtungsgenauigkeit: Das beschichtete Substrat ist Aluminiumfolie oder Kupferfolie mit einer Dicke von 6-30 μm Relativ wenig Forschungsberichte über die Beschichtungseigenschaften von Lithium-Ionen-Batteriepolen Schmit und Mitarbeiter untersuchten die Negativelektroden-Slurry-Extrusion von Lithium-Ionen-Batterien. Beschichtungsprozess während der Beschichtung Die Stabilität der Beschichtung wurde in dem intermittierenden Beschichtungs- und kontinuierlichen Beschichtungsprozess gefunden, und die Auswirkung der Prozessparameter auf das Phänomen der dicken Kanten wurde analysiert. Später wurde eine Reihe von experimentellen Vorrichtungen in der Extrusionsart etabliert Der Druckabfall der Aufschlämmungsflüssigkeit wurde während des Beschichtungsprozesses gemessen, und die Beziehung zwischen dem Fluiddruckabfall und der Naßdicke der Beschichtung wurde untersucht.
In diesem Papier, Lithium-Ionen-Akku Graphit negative Elektrode Slurry als Forschungsobjekt, Analyse der grundlegenden Qualität der negativen Polstück Produktion, beobachten Sie die Beschichtung zu Beginn der Filmform, während Flüssigdynamik-Software Fluent Lithium-Ionen-Batterie Slurry-Beschichtung früh verwenden Das Strömungsfeld wurde einer Finite-Elemente-Simulation unterzogen, um den Aufschlämmungsfluss von der Beschichtungsstartzeit bis zur Beschichtungsstabilisierungszeit zu analysieren, wodurch der Aufschlämmungsbeschichtungszustand visuell beobachtet wurde, die Einflussfaktoren der Beschichtungsstabilität untersucht wurden und eine theoretische Grundlage für die Optimierung des Beschichtungsprozesses bereitgestellt wurde. Unterstützung.
1 Experimentelle Methode und Finite-Elemente-Modell
1.1 Experimentelle Methoden
I aufgebaut Nissan 20000 Ah Lithium-Ionen-Batterie-Produktionslinie Modell. Negative Elektrode G45-100-2D Slurry-DZ Mischer Typ Vakuummischer durchgeführt wird, das effektive Volumen von 100 l. Die negative Elektrode wird Beschichter M12-650B-4C-DZ-Typ gemacht SchlitzExtrusionsbeschichtungsmaschine Das beschichtende Fütterungssystem nimmt Schraubenspindelpumpe 2NBL20F von Firma Japan Bingshen an Es nimmt einen einzelnen Hohlraum des kreisförmigen Hohlraums für die Beschichtung an, der obere Würfelkopf, 0.55mm dicker Schlitz Pads, nach dem Abschluss der unteren Werkzeuganordnung auf einem horizontalen Tisch gelegt wird, um den Schlitz durchschnittlichen KEYENCE Mikroskop VHX-1000 optische Bildgebungsmessspaltabmessungen verwendet werden gezeigt (B), ‚in Fig. 1 (a)‘, die Ergebnisse in 1 gezeigte Die Größe w ist (543,5 ± 7,5) & mgr; m. Die mittlere Größe des Schlitzes ist klein und die beiden Seiten sind etwas größer. Diese Schlitzgrößenverteilung kann eine gleichmäßige Beschichtung erhalten.
Graphit, leitfähige Mittel, Natriumcarboxymethylcellulose (CMC), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), und destilliertes Wasser wurde gemischt und gerührt, um eine Lithiumionen-Batterie negative Elektrodenpaste wurde eine Aufschlämmung Chargenvolumen 68L jeder, der Feststoffgehalt von 52,0% herzustellen, die Aufschlämmung Dichte (1 450 ± 22) kg / m3. Beschichtungsmaterial ein Kupferfoliendicke von 10 & mgr; m mit einer Flächendichte von 8,9 mg / cm2 ist. vor der Beschichtung gestartet wird, wird die Förderschnecke zunächst den Matrizenblock geöffnet, Schlitzauslaß, Ventilkopf zurück, um die Düse zu öffnen, wird der Schlamm in der Matrize 20 min zirkuliert, um sicherzustellen, dass der Formhohlraum mit einer Flüssigkeit gefüllt ist. Fig. 2 (a) ist eine schematische Ansicht der Beschichtungsstabilität nach dem Strömungsfeld zwischen dem Kopfformteil und dem Substrat, Die Hauptparameter umfassen den Beschichtungsspalt H, die Spaltgröße w, die Beschichtungsgeschwindigkeit v, den Zuführstrom Q, die Beschichtungsnassdicke h und die Beschichtungsbreite B. In diesem Experiment: H = 0,20 mm, w = 0,55 mm, L = 0.275 mm, B = 250 mm, v = 0,15 m / s, Q = 4,8 × 10 & supmin; 4m3 / s., wenn die eine Oberfläche und die B-Oberflächenbeschichtung mit einer Länge von etwa 500 m Erntevolumen des Polschuhs hat, und als Batch Als nächstes schneiden Sie den Kopf- und Schwanzpolschuh ab, nehmen einen kreisförmigen Polschuh mit einem Durchmesser von d = 60 mm, messen die Probenmasse M und berechnen die Oberflächendichte der Beschichtung gemäß Gleichung (1).
(1)
Wo: Scoat ist die Flächendichte der Beschichtung, Scopper ist die Flächendichte der Substratkupferfolie.
1.2 Finite-Elemente-Modell
Verwendung fluid dynamics Finite-Elemente-Software Fluent6.3.26 Feldes zwischen dem Ausströmen des Extrusionsdüsenkopfes und der simulierten Strömungszustand Walzenbeschichtung, Fließbeschichtung Feld in Fig. 2 (a), gezeigt in Fig. Internal Extrusionsdüse Schlitzten ein Berechnungsbereich wird der äußeree Bereich zwischen dem Schlitzaustritt und dem Substratbereich 2 berechnet, wie es in Figur 2 (b), das zweidimensionale Modell der Ebene dargestellt ist, ist der Einlass gesetzt, die Rechendomäne Einlass zu beschleunigen, wird der Ausgangsdruck am Ausgang eingestellt, Druckwert 101325 Pa, das Substrat wird die Grenze, das heißt die Bewegungsgeschwindigkeit der anderen Grenzbeschichtungsgeschwindigkeit v, stationäre Form Außenwandung Randbedingung Einstellungsberechnungsfeld Vermaschung in Fig. 2 (c), das Gitter zu bewegen, Die durchschnittliche Größe beträgt 0,01 mm.
Zustandsströmungsfeld wird an die Luft aufgebracht, und die Aufschlämmung inkompressiblen zweiphasige instationären Strömungsprozeß, berücksichtigt nicht den Wärmeübertragungsprozess. VOF Modellspur eine frei fließende Aufschlämmung Schnittstelle ‚7‘, aufgrund der großen Unterschiede in der Viskosität Aufschlämmung und Luft, select CICSAM Bildschirmerfassungsverfahren setzen voraus, dass der statische Kontaktwinkel und die Basiskupferfolie negative Elektrode Aufschlämmung 50 ° ist, wurde der Kontaktwinkel der Außenwand der Extrusionsdüse 60 ° beträgt. die anfängliche Aufschlämmung Flüssigkeit gefüllt Zeitschlitz Extrusionsdüse ‚in Fig. 2 ( b) in der Mitte der Oberfläche 1 ', aber es gibt keine Verschüttung außerhalb des Schlitzes.Nachdem das Beschichtungsfließfeld berechnet ist, fließt die Aufschlämmung miteiner stetigen Rate aus dem Schlitz heraus.
2 Ergebnisse und Diskussion
2.1 Versuchsergebnisse
Figur 3 ist eine beschichtete Oberflächendichte der negativen Elektrodenfolie A und AB Oberflächenbeschichtung auf beiden Seiten jeden Charge erzeugten Verteilung, eine Deckschicht Dichteniveau (9,67 ± 0,067) mg / cm 2, AB Flächendichte der Beschichtung auf beiden Seiten (19,32 ± 0,084) mg / cm² ist die Menge der Polstückbeschichtung gleichmäßig und erfüllt die Anforderungen der Polschuhqualität, was zeigt, daß der Beschichtungsprozeß stabil und zuverlässig ist.
Figur 4 ein Polstück ist es, eine Beschichtungsmorphologie Anfangsphase beschichtet, das Polstück an 0 cm ist Position Start der Anwendung, die Anwendungsstartzeit, die Aufschlämmung fed nicht stabile Versorgung gebildet werden, der Schlamm aus dem Düsenspalt fließt, Stück des obere Pols intermittierende Überzugsschicht gebildet, wie es für die Beschichtung, Aufschlämmungs- Versorgung stabil zu werden, wobei die Beschichtung kontinuierlich miteinander verbunden ist, nimmt allmählich unbeschichteten Bereiche. 90cm am Polstück eine stabile Beschichtung auf dem Polstück zu bilden. die Beschichtungsgeschwindigkeit betrug 0,15 m / s, von der Beschichtung insgesamt 6 s in die Beschichtungsstabilität umfasst dauerte es beginnt der Prozess in zwei Phasen: (1) sterben eine Aufschlämmung in einem stabilen Zustand des Aufschlämmungs-Strömungskanal und den Hohlraum Extrusionsformen, wobei der Schlitz eine Auslass gebildet stabile Aufschlämmung Ausströmgeschwindigkeit, d.h. stetiger Fluss während des Extrusions internes Strömungsfeld sterben, (2) ein Schlicker Ausströmen Schlitzdüse, Wechselwirkung mit dem Substrat, durch die Aufschlämmung auf die viskose Kraft erzeugte bewegendes Substrat, Auf der Oberfläche des Substrats verteilt und schließlich eine stabile Beschichtung bilden, dh den stetigen Fließprozess des äußeren Strömungsfeldes der Extrusionsdüse.
2.2 Vorläufige Analyse des Strömungsfeldes
Die Aufschlämmung Auslaufschlitz Feldstromverfahren, durch die gegenseitige Beeinflussung der Kraft, einschließlich Kraft aufgrund des viskosen Fluids im Inneren der mobilen Basis erzeugt werden, die Oberfläche der Fluidkraft, strömt Fluid von dem Fließpressens auf ein sich bewegendes Substrat Abbremsung sterben Die Trägheitskraft, die durch den Prozess gebildet wird, die Schwerkraft der Flüssigkeit: In dem tatsächlichen Beschichtungsprozess kann die Scherrate γ durch Gleichung (2) geschätzt werden:
2.3 Simulationsergebnisse
Viskosität Simulation eines laminaren Strömungsmodell verwendet wird, angenommen, die Simulation, dass die negative Elektrode nicht Viskosität der Aufschlämmung nicht ändert, wird eine negative Elektrodenmaterialschlicker Parameter verwendet, die Düsengeometrie und Prozessparameter sind in Tabelle 1, wobei die Slurry Anströmgeschwindigkeit Auswahl 0,030, 0,035 und 0,050 m / s drei Werte, um die Auswirkung von Prozessparametern auf Beschichtungsergebnisse zu untersuchen.
5, 6, 7 ist Einlassgeschwindigkeit von 0,030, der Strömungszustand nach dem Starten der Anwendung des Strömungsfeld zur Stabilisierung des Schlammes zu verschiedenen Zeitpunkt angewandt wird. 0.035 und stabiles Strömungsfeld 0,050 M / s, der Schlammausgang x-Achsen-Richtung Volumenanteil (VOF) -Verteilung in 8 gezeigt, die VOF VOF und Dicke = 1,0 -. 0,6 = 0,5, wenn die Beschichtung ist klar aus 8, die in Tabelle 2 gezeigten Ergebnisse, während die verschiedenen Geschwindigkeitsströmung Feldbedingungen Reynolds Zahl Re, t die Strömungsfeldstabilisierungszeit sind in Tabelle 2 diese ist-Produktion, die Aufschlämmungs-Strömungsrate Q 4,8 × gezeigt 10- 4m3 / s und die Breite B der Schlitzbeschichtung betrug 0,25 m, die Aufschlämmung tatsächlichen Auslaufschlitz Geschwindigkeit U = Q / (BW), berechnet als Naßschichtstärke h s 0,035 M / so kann nach der Formel (5):
Wenn die Eintrittsgeschwindigkeit 0,035 m / s, von der Startzeit berechnet, um das Strömungsfeld auf ein Minimum zu stabilisieren, wie 37,54 ms, erforderlich, um das Experiment für die Zeit, um eine gleichmäßige Beschichtung von 6 s zu bilden (Fig. 4) ist wesentlich größer als die Einschwingzeit Simulation des Strömungsfeldes Dies ist, weil die eigentliche Beschichtung, die Stabilisierungsphase ein stabiles Strömungsfeld und die Matrize innerhalb des Düsenausflusses stationären Bereichs, aber das Stabilisierungsverfahren des vorliegenden Feldes der Hauptabflusssimulationsrechnung umfasst, ob die Einlassgeschwindigkeit zu erhöhen oder zu vermindern, Fließbeschichten Feld Ausregelzeit hat sich erhöht, wenn die Einlassgeschwindigkeit 0,030 m / s, die Strömungsfeldstabilisierungszeit von 48,75 ms, wenn die Eintrittsgeschwindigkeit von 0,050 m / s, die Strömungsfeld Einschwingzeit 63.46ms ist.
Die Anströmgeschwindigkeit 0,030 M / s, 10 ms nach dem Anlegungszeit beginnen, der Schlamm fließt in den Schlitz ‚in Fig. 5 (a)‘ zu füllen, während sich das Substrat vorwärts entlang der y-Achse zwischen dem Chip und dem Substrat bewegt, viskose Kraft, die durch die Bewegung der Aufschlämmung erzeugt, um das Substrat, wobei das Substrat, da die Bewegung der mitgerissenen Aufschlämmung folgen kann in angemessener Zeit nicht wieder aufgefüllt wird, um eine große Menge an Luft in der Beschichtungs beteiligt ‚in Fig. 5 (b)‘, wird Luft in der Endaufschlämmung yl gesaugt Figur 5 ist auf der Platte (c) gebildet wird, Beschichtungs- Morphologien ähnlich die in Fig. 4 gezeigt, und die Beschichtungsmorphologie. mit der Zufuhr der Aufschlämmung, die Strömungsdurchgangsfläche des Strömungsfeldes (y> 0) stabil, Strömungsfeld Downstream-Kanalbereich (y<0)也由复杂状态逐步趋于稳定, 如图5(d)所示, 最后形成比较稳定的涂布流场[图5(e)].
Die Eintrittsgeschwindigkeit 0,035 m / s wird die Aufschlämmung zwischen dem Chip und dem Substrat nach dem Bereich gefüllt ‚von Fig. 6 (a)‘, wobei die Basis der mitgerissenen Aufschlämmung ausreicht, um rechtzeitig die Beschichtung aufzufüllen wird nicht in einer großen Anzahl von beteiligten werden das Luftströmungsfeld Downstream-Kanal erreicht schnell einen stabilen Zustand ‚der Fig. 6 (b)‘, unter Strömungsfeldkanal-Interferenz Schwerkraft fließt, wird ein instabiler Zustand erzeugen ‚von Fig. 6 (b) und (c)‘, aber als Beschichtungs Das Gewebe wird kontinuierlich ausgeführt, und der obere Strömungskanal erreicht auch schnell einen stationären Zustand. Fig. 6 (d) und (e) 'Unter dieser Bedingung hat das Beschichtungsströmungsfeld daher eine kurze Stabilisierungszeit, was der optimale Beschichtungsarbeitsbereich ist.
Anströmgeschwindigkeit 0,050 M s, die Angemessenheit / Slurry Versorgung, ohne die Beteiligung einer großen Menge an Luftströmungsfeld Downstream-Kanal ‚in Fig. 7 (a) und (B)‘, das Downstream-Kanal-Strömungsfeld einen stationären Zustand schnell erreichen ‚7 (b) ‚da jedoch der größere Einlassgeschwindigkeit, bilden relativ dicke Überzüge (Tabelle 2), die stromaufwärtige Strömungskanal Feld leicht durch Schwerkraft beeinflusst, dauert es eine lange Zeit eine stabile zu erreichen‘ in Fig. 7 (c)‘, eine dicke Überzugsschicht Der Spalt führt zu einem schnellen Zusammenbruch des Strömungsfeldes im oberen Strömungskanal (Fig. 7 (d) '), der eine längere Zeit benötigt, etwa 63,46 ms, und das Beschichtungsströmungsfeld erreicht einen stationären Zustand. Fig. 7 (e)'.
3 Schlussfolgerungen
Durch die obigen Experimente und Finite-Elemente-Analyseergebnisse werden die folgenden Schlussfolgerungen gezogen:
(1) Extrusionsbeschichter negative Elektrode Aufschlämmung auf einer Kupferfolie Lithium-Ionen-Batterie, eine Deckschichtdichteniveau (9,67 ± 0,067) mg / cm 2, AB Oberflächendichte der beiden Oberflächen der Beschichtung überzogen wurde (19,32 ± 0,084 ) mg / cm2, die Menge an Polstück ist gleichmäßig und der Beschichtungsprozess ist stabil und zuverlässig.
(2) unter Verwendung der Finite-Elemente-Software fliessend Fluiddynamik-Simulation des Schlickerschicht Ausströmen Flußzustand Feld und die Dicke der Beschichtung in Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen, die durch Simulation beschriebenen Berechnungsmodell erhalten zuverlässig.
(3) simulierte Anströmgeschwindigkeit waren 0,030, 0,035 und 0,050 M / s, wenn der Anfangszustand des Strömungsfeldes aufgebracht ist. Wenn die Eintrittsgeschwindigkeit von 0,030 m / s, Zeit bis zum Beginn der mitgerissenen Aufschlämmung Bewegung des Substrats zugeführt Aufschlämmung , untere Zeile Luftmenge in Bereichen der Beschichtung involviert, in einem flüssigen Zustand auf dem Downstream-Kanal-Komplex resultierende Beschichtungsströmungsfeld länger dauern zu stabilisieren., wenn die Eingangsdrehzahl 0,050 M / s, eine ausreichende Slurry Versorgung ist, kann das Downstream-Kanal sein, die Stabilisierung erreichen, aber da die Schichtdicke der oberen Kufe, dauert eine lange Zeit stabilen Zustand zu erreichen. wenn die Eintrittsgeschwindigkeit von 0,035 m / s wird das Strömungsfeld einen stationären Zustand kürzeste Zeit schnell erreichen angelegt, der die besten Betriebsbereich des Beschichtungsverfahrens.
