锂电池水基石墨负极涂层干燥数值模拟

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极片是锂电池的重要组成部分,研究锂电池极片的主要目的是改善锂电池极片的电化学性质和减少锂电池极片的制造成本,这两项都与极片制造过程中的干燥环节紧密相关。较快的干燥速率使极片中粘结剂分布恶化,进而影响电池电化学性能和极片机械性能,较慢的干燥速率则增加生产能耗。为探索水基石墨负极材料干燥规律,本文展开了数值模拟工作。
  锂电池极片干燥是个复杂的物理化学过程,涉及湿空气传热传质、动网格技术、PDE 方程等。在不同干燥工况下,运用颗粒分布模型计算出石墨颗粒在整个干燥过程中具有随极片收缩而紧缩聚集的分布特性,据此,对极片干燥过程与模型进行了基本假设与合理简化。
  利用有限元软件对锂电池极片干燥过程进行了二维仿真建模,利用动网格模拟溶剂蒸发表面。添加传热与传质场并设定相关边界条件及初始条件。通过模拟分析,获得了水基石墨负极极片的干燥特性。得出了干燥条件对干燥速率的影响规律。增加入口风速、提高入口风温、降低热风相对湿度均可提高极片干燥速率,但三种参数对干燥速率的提升效果不尽相同,风速和温度对干燥速率的影响较大。
  分析得出了极片干燥不均匀的主要原因。由于局部区域极片表层湿空气没有被流场及时带走而聚集,这种流场不均匀分布导致极片干燥不均匀。
  获得了极片干燥过程中的温度变化与分布规律。预热阶段,极片快速升温;恒速干燥阶段,极片温度稳定不变。分析了极片涂层厚度方向、宽度方向、长度方向上温度的分布差异。
  利用乳胶粘结剂分布模型预测并实验验证了粘结剂在干燥过程中的分布特性。
  搭建了极片干燥实验台,可提供不同风速、湿度、风温的干燥条件,将极片干燥仿真结果与实验结论进行了对比分析,验证了干燥模型的准确性及数值模拟工作的可靠性。
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