动力锂电池极片挤压式涂布机头研究

摘要

目前，电动车、储能电池等新能源产业在全球范围内发展迅速。作为公认的理想储能元件，动力锂电池也得到高度关注。涂布机是动力锂电池极片的生产关键工艺设备。目前，动力锂电池极片涂布工艺主要有辊涂转移式和条缝挤压式等形式。其中，条缝挤压式涂布工艺能够获得均匀的涂布厚度、质量一致性高的电极，并能适应不同浆料粘度和固含量范围，与转移式涂布工艺相比具有更强的适应性。此外，挤压式涂布在提高浆料利用率、保持浆料性质稳定性以及降低成本等方面具有优势，有利于增强企业的竞争力。本文以挤压式涂布机头为研究对象，研究挤压式涂布模头、挤压模头定位、支架系统以及挤压涂布控制系统的原理和设计，主要研究内容如下:
　　1.挤压模头的研发挤压模头通过内腔和模唇间隙的调节可以精确的控制浆料涂布于基带上的厚度以及涂布宽度方向分布的均匀度。挤压模头的内腔结构决定了涂布挤压模头对浆料的匀化能力，本文在双腔式内腔结构的基础上，提出了过渡式、衣架式内腔结构并通过计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)技术，运用FLUENT软件分析三种型腔结构对浆料的匀化能力，并完成了模唇间隙调节结构的两种设计方案。
　　2.定位及支架系统设计定位及支架系统是挤压模头的定位支撑平台，对涂布质量精度、稳定性启到关键作用，其基本要求是:定位位置准确、可重复归位。本文对定位及支架系统中的关键零部件开展力学和有限元分析(Finite Element Analysis，FEA)，包括背辊、托辊、移动平台、支架等，验证系统结构的强度、刚度符合技术要求。
　　3.挤压式涂布控制系统的研发与设计挤压式涂布控制系统包括张力控制系统、纠偏控制系统、间歇正反面对齐涂布控制系统。在张力控制、纠偏控制系统中，通过张力控制器、纠偏控制器内置的闭环控制算法实现自动控制;在间歇正反面对齐涂布控制系统中，由可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、伺服放大器、伺服电机、编码器、光纤传感器等电器件组成，通过PLC编程实现间歇、正反面对齐的动力锂电池极片涂布工艺。
　　本文解决了动力锂电池极片挤压式涂布机头三大关键技术:挤压模头的研发、定位及支架系统设计、挤压式涂布控制系统的研发与设计。开发的挤压式涂布机头很好的解决了极片涂布厚度和重量一致性问题，将能有效地提高电池的循环寿命、使用性能，对促进我国动力锂电池研制和产业化发展具有重要作用。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景及研究的目的和意义

1．2 相关研究及应用现状概述

1．2．1 动力锂电池极片涂布方法研究概述

1．2．2 挤压涂布模头研究概述

1．2．3 挤压涂布控制系统研究概述

1．3 本文的主要研究内容

第二章 基于数值摸拟的挤压涂布模头的研究

2．1 流体力学概述

2．2 双腔式挤压模头

2．2．1 双腔式挤压模头结构及工作原理

2．2．3 双腔式挤压模头的数值模拟

2．3 梯度式挤压模头

2．3．1 梯度式挤压模头结构及工作原理

2．3．2 梯度式挤压模头的数值模拟

2．4 衣架式挤压模头

2．4．1 衣架式挤压模头结构及工作原理

2．4．2 衣架式挤压模头的数值模拟

2．5 各型式挤压模头流场均匀性对比分析

2．5．1 数据读取

2．5．2 数据图形化

2．5．3 参数场均匀性量化分析

2．6 喷口间隙调节设计

2．7 本章小结

第三章 挤压模头定位及支架系统的研究

3．1 背辊的研究分析

3．1．1 背辊结构设计

3．1．2 背辊受力分析

3．1．3 背辊数值分析

3．2 托辊的研究分析

3．2．1 托辊和可调式托辊安装座的结构设计

3．2．2 托辊圆筒数值分析

3．3 挤压模头移动平台的研究分析

3．3．1 挤压模头移动机构的研究分析

3．3．2 挤压模头定位机构的研究分析

3．3．3 线性滑轨的数值分析

3．4 涂布机头支架的研究分析

3．5 本章小结

第四章 挤压涂布控制系统研究

4．1 张力控制方法

4．1．1 张力控制原理

4．1．2 张力控制器

4．1．3 张力控制接线图

4．2 纠偏控制方法

4．3 间歇正反面对齐涂布控制方法

4．3．1 伺服放大器

4．3．2 三菱FX3U PLC

4．3．3 间歇正反面对齐涂布控制接线图

4．3．4 程序的编写

4．4 本章小结

第五章 总结

致谢

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的论文