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干燥箱结构对锂电池极片干燥影响巨大

2016-08-10

接触式烘箱

图片来源:深圳市镭煜科技有限公司

干燥箱是锂电池极片干燥工艺必需的设备,为该工艺提供温度足够、速度适当、分布均匀的热空气,冲击通过其内的铜箔、铝箔等极片表面上的电极浆料,以达到高效、良好的干燥目的。

干燥箱的结构形式不一、各具特点,但具有均匀合理的风速场是它们共同的主要设计目标之一。目前,国外设备中,日本生产的干燥箱工作效率比较高,运行比较稳定,且内部风速场较为均匀;国内设备则不同程度地存在着效率较低、可靠性不高、风速场不均匀,极片干燥效果差、干燥弊病较多等问题。由于国外对先进技术的保密及国内相关领域的研究空白,关于干燥箱结构设计及其风速场均匀性的研究未见相关资料,仅有一些研究者在涂布干燥工艺、薄膜干燥过程计算等方面进行了相关的介绍与探讨。因此,有必要对干燥箱风速场及其均匀性进行定性和定量的研究。

国内外对计算流体力学的研究较为深入,流场数值模拟技术与方法也迅速发展,并在各个科学、工程领域中得到了广泛的应用。文中采用计算流体力学方法对锂电池极片干燥箱风速场进行数值模拟,进而建立风速场均匀特性的量化指标,同时,研究运行参数及结构因素对风速场均匀性的影响关系,为实际生产提供理论支持。

干燥箱结构及工作原理

假设干燥箱结构其整体长3m,宽0.87m,高0.54m。箱体在高度方向上分为上风室、下风室及中部烘干区3部分。热空气由上、下进风口(干燥箱前后两侧各一组)分别进入上、下风室,并经由上、下风刀(各9个)导向及均流后进入烘干区冲击干燥,再由左向右穿过烘干区的极片。完成干燥任务的热空气携带由浆料中蒸发出来的溶剂,一部分从回风口(干燥箱前后两侧各两个)进入再循环管路重新利用,另一部分则由排风口(干燥箱前后两侧各两个)进入排风系统。考虑风室内沿途风量逐渐减少,上、下风室后半部分设计成斜坡,以配合风量的变化,得到整体较好的风场效果。

此干燥箱中的风刀(对空气起导向、均流作用,形成冲击片幅的空气流)结构如图2所示,底部进风侧有大量直径为1cm的均流小孔,上部出风侧有15个直径为3.5cm的出风孔。

采用Solidworks,按实际尺寸进行建模,总网格数为1047572。边界条件采用实测数据,其中:上、下进风口风速为1.85m/s、风温为195e,回风口压力为101300Pa,排风口压力为101300Pa。利用COSMOSFloWorks,通过有限体积法进行求解。空气由进风口进入干燥箱后,在上、下风室内自左向右运动,沿途空气经由风刀进入烘干区冲击极片。

关键截面

分别取极片上表面上方和下表面下方一定距离(取0。5cm)处的水平平面为干燥箱风场的关键截面,这是因为此截面上的风速大小及风速分布对极片干燥的效率、效果起着关键作用,下文分析均是针对关键截面而言。关键截面(极片上、下表面情况类似,故以极片上表面为例)上风场特点是沿极片宽度方向上两侧风速呈对称分布,可保证左、右两侧同速干燥;主体风速大小均匀,且有规律地冲刷极片上、下表面并从回风口、排风口流出烘干区;进风口风速或排风压力若有变化,也是左右对称的,故不会造成极片左右两侧干燥强度的不一致,这将允许运行中对整体烘干强度及排风工况进行调整。

以极片上表面的关键截面为分析对象,按1cm间距的网格取风速数据点共19547个,其平均风速为0149m/s,最大风速为1。346m/s,最小风速为0。003

m/s。利用Tecplot将这些数据值进行三维显示,。轴L为关键截面长度坐标,平行于干燥箱长度方向;轴W为关键截面宽度坐标,平行于干燥箱宽度方向;V为风速。可见,沿干燥箱长度方向上,对应各个风刀出口位置上风速较高,但各风刀风速大小情况有所不同;沿干燥箱宽度方向上,各个风刀出口风速基本对称,个别风刀由于干燥箱局部结构及进、排风口位置的影响风速有所不均。

对极片干燥起主要作用的是风刀出口的空气流,其速度的大小、均匀性、对称性尤为关键,文中首次提出衡量以上均匀性及对称性的量化指标及计算方法,并针对风刀出口风速进行着重讨论。采用边界条件,各风刀出口沿干燥箱宽度方向风速分布(数字1~9分别为第1个~第9个风刀),风刀1~风刀9沿进风口至该节干燥箱尾部依次排布。对任一风刀,考察其性能好坏的量化评价指标是风刀出口风速沿风刀长度方向(也就是干燥箱宽度方向)的对称度和均匀度。

极片上表面各风刀出口位置沿宽度方向风速均匀度评价的是风刀整体风速的一致性,该值越高,曲线越平直;对称度评价的是任意一个风刀长度方向中心两侧对称位置上风速的一致性,该值越高,曲线左右越对称。锂电池烘箱干燥厂家深圳市镭煜科技有限公司认为,实质上,对称度也是均匀度的一种体现,二者共同决定了极片宽度方向上干燥速度与强度的一致性,这直接关系到干燥效果的优劣。