锂離子電池擠壓式塗布研究：本文主要對锂離子動力電池制造過程的擠壓式塗布工序進行簡單介紹，并結合Abaqus軟件對其塗布工藝進行研究。

一，基本介紹篇

1、擠壓式塗布類型

關于擠壓塗布我理解爲通過流體通過擠壓經過有特殊流道的塗布頭塗覆在運動的基材上。整個系統如下圖所示。

根據塗布頭與基材距離及形成的塗布頭與基材之間的流體形态分爲狹縫式擠壓塗布（Slot Coating）和擠壓式塗布（Extrusion Coating），如下圖所示。兩者的區别主要在于流體有無潤濕唇口，前者潤濕唇口，後者沒有。锂離子動力電池的塗布工藝采用的是狹縫式擠壓塗布（Solt Coating）。

兩者的區别主要在于流體有無潤濕唇口，前者潤濕唇口，後者沒有。锂離子動力電池的塗布工藝采用的是狹縫式擠壓塗布（Solt Coating），塗布系統

2、狹縫式擠壓塗布原理介紹

狹縫式擠壓塗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 》

決定塗布質量的因素主要包括：塗布頭與基帶的間隙、流量、基材速度、塗布頭結構、流體特性等。

根據平行闆間艾庫特流（可參閱上海交通大學工程力學教學基地查找流體力學教學資源進行深入了解）與Prof. Marcio 的潤滑近似模型，可得厚度 t 公式如下：

可知塗布厚度與塗布頭與基帶的間隙、流體粘度、基材速度、塗布頭唇口尺寸、流體及外部壓力有關。由公式可知，塗布頭與基帶的間隙爲機械配合、流體粘度跟來料漿料有關、基材速度爲電機控制、塗布頭唇口尺寸由塗布頭決定，以上因素比較容易保證一緻，影響塗布質量厚度均勻性就突出表現在流體及外部壓力，外部壓力一般爲室内常壓，則塗布頭唇口内及出口處的壓力均勻性就顯得異常重要。塗布頭唇口内及出口壓力分布均勻性與供料系統穩定性和塗布頭結構有很大的關系。

二、擠壓式塗布頭結構介紹

塗布頭結構其實比較簡單，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不同的塗布形式進行選擇（例如斑馬線、全塗等）。下圖爲三菱的一款塗布頭模具。




三，漿料特性篇

1、漿料構成

锂離子動力電池漿料基本上由活性物質、導電劑、粘結劑、溶劑構成，一般構成如下圖所示

2、漿料特性

漿料作爲塗布工序的來料，其特性直接影響塗布質量。通過漿料構成我們可以知道漿料屬于固液兩相流體。生産上對漿料質量控制點主要有粘度、固含量、密度、細度和PH值。漿料的均勻一緻性對于塗布工藝環節至關重要，檢驗漿料均勻一緻性可通過檢測不同區域漿料的質量控制點獲取。




由于漿料粘度受溫度、攪拌速度、沉降時間等有關，根據牛頓流體與非牛頓流體定義，我們把漿料歸爲非牛頓流體。漿料在攪拌相對均勻後，随着攪拌時間的增加，漿料粘度逐漸降低，最後趨于一個穩定值。根據相關文獻，锂離子電池漿料在配比、均質狀态下，存在随着剪切率增加粘度減小的顯現，即剪切稀釋現象。綜上，我們将锂離子電池漿料歸結爲有剪切稀釋現象的非牛頓流體。由于漿料根據材料不同、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着變化，本文隻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：锂電池漿料密度一般在1400~2000kg/m³

粘度μ：锂電池漿料根據不同工藝條件粘度一般控制在1~10Pa·s




在以上基礎上，我們已經知道塗布頭的結構，由于本文主要關心塗布模頭內流場狀态，本文隻建立流道液體模型。




用戶可通過第三方3D軟件進行建模，然後導出stp或者x_t通用格式，然後通過import Assembly，将漿料流體的幾何模型導入。

1）建立幾何模型

創建 With CFD Model，然後點擊File→Import→Aseembly，選擇導出的stp x_t文件，（本文導入選擇Assembly而沒有選擇Part，因爲在直接導入Part時，會出現導入殼體現象。）建立模型如下：

2）創建材料屬性

由于本文建立模型，使用的爲mm，及單位統一爲mm制。

漿料密度1.7e-9 tone/mm³，粘度爲1500cps，即1.5e-6MPa·s。将以上材料屬性賦給幾何模型。

3）創建裝配體

雖然以裝配體導入的幾何模型，但是系統識别爲部件，需要切換到Assembly Model建立裝配體。

4）劃分網格

本文可通過分割工具，對模型進行分割，采用結構化網格、掃略網格和自下而上網格劃分對幾何進行六面體Hex網格劃分，本文爲節約網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格密度，網格劃分結果如下：


網格劃分結果

5）創建流體分析步

進入Step Module，創建流動分析步，Time Period：1，Initial time increment：0.001，Tubulence Model：None。此處的時間增量的選擇跟網格劃分質量、載荷大小有關。考慮漿料粘度大，擠壓縫窄，速度小，選擇不使用雷諾模型。

編輯分析步對話框

6）創建邊界條件及載荷

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，速度爲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）創建任務，并提交。

此步驟與之前案例分析步驟一樣，提交任務後，可進行任務運行監測。完成後，點擊Result，自動導入運行結果後，進入Visualization Module。

8）後處理

通過後處理功能可查看塗布頭内流場的壓力分布

速度分布


通過Stream工具，創建壓力或速度流線顯示效果圖，如下爲壓力流線顯示圖。

三，塗布外流場仿真分析篇

本節主要是通過ABAQUS / Explicit的CEL算法對塗布外流場進行仿真分析，獲取塗布起始到穩定的過程。用戶可根據教程查看給料速度、基材速度、塗布粘度等對塗布厚度的影響。

一、狹縫式擠壓塗布模型

狹縫式擠壓塗布外二維示意圖如下：







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）計算流體力學和SPH（Smooth Particale Hydrodynamics）光滑粒子流體動力學。關于三者的使用範圍及對比，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格節點算法，因爲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後續版本不在有CFD模塊，CFD模塊融入到了3DEXPERIENCE r2017，相信後邊會完善本身類似FLUENT的VOF模型、能夠在CFD模塊添加流體。

三、Abaqus仿真應用

1、建立部件及裝配幾何模型。

建立Exolicit Model。點擊打開Abaqus/CAE，選擇With Standard/Explicit Model。

創建如下Parts：流體區域幾何部件、入口速度推擠部件、塗布基材部件。因在顯示動力學分析中CEL算法下的流體材料入口無法選擇連續速度供給條件，本文将入口區域增加，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，需将使用部件設定爲Eulerian類型，且必須選擇3D，如下圖所示，

2）爲簡化模型爲二維，我們建立部件過程将厚度設定爲1。其他模型選擇爲離散剛體，如下圖

3）在建立裝配過程中，建立的離散剛體實體部件不能直接加入裝配體，需在Part Module下選中剛體部件，通過菜單欄點擊Shape→Shell→From Solid，将其轉換爲殼體。

4）創建裝配實體過程中選擇獨立網格形式。

2、建立材料屬性

建立漿料材料屬性爲如下三個屬性：密度（Density）、粘度（Viscosity）、eos（equations of state）。在Explicit模型下，需借助狀态方程Us-Up進行流體動力學的材料的創建，如下圖所示。

其他狀态方程使用方法及理論，用戶可查看Abaqus手冊，密度設定爲1000，面對設定爲5000。建立好材料後建立截面屬性，然後将界面屬性賦給流體區域幾何部件。

3、創建分析步，及輸出結果設定。

切換至Step Module，創建新的分析步，顯示動力學，Time設定爲20s，其他保持不變，創建結果如下圖。

創建流體區域的幾何分數EVF顯示，及推塊及部件的位移輸出。




4、創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），系數設定爲10。因材料無法建立材料與基材間的粘結屬性，本文選擇Penalty接觸特性來建立流體材料與塗布基材的粘附效果。相關理論可查看Abaqus documentation 下的Abaqus/CAE User's Guide。

建立接觸面自接觸，如下圖所示




創建入口速度推擠部件的考點，并建立點與部件的剛性約束。如下圖所示。同理建立塗布基材部件參考點和剛性約束。

5、劃分網格

通過分割工具對流體區域幾何部件進行幾何分割，以能夠使用結構化網格劃分方法，通過邊線布種，進行網格劃分，劃分結果如下，流體區域幾何的網格類型爲：EC3D8R。

6、創建載荷及邊界條件

1）創建塗布基材的邊界條件

建立除運動方向外的位移約束

創建塗布基材的速度邊界條件

2）同理創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）創建流體區域幾何的邊界條件。

設定Z方向的内外兩面Z方向初始速度邊界

設定入口兩側X方向初始速度邊界，如下圖所示

設定塗布頭出口處Y方向的初始速度邊界條件，如下圖所示

4）創建預定義場Material assignment，粉色區域爲初始時流體填充區域，Void爲零，表明材料填充完全。

7、創建分析任務、提交、及後處理。

創建任務，提交後，可查看EVF，Void/Material volume fraction in element（Eulerrian）。點擊雲圖進行顯示，結果如下，紅色區域爲流體。

用戶可通過改變材料及基材速度等條件進行查看對比。下圖爲基材速度爲24和30的效果對比圖。