Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Mô hình CFD của quy trình phủ slot die cho điện cực pin lithium-ion trong 2D và 3D với thuật toán tinh chỉnh lưới động cân bằng tải được kích hoạt với điều kiện biên trượt cục bộ trong OpenFOAM
Tóm tắt
Quy trình phủ slot die là một phương pháp tiên tiến để sản xuất các điện cực pin lithium-ion với độ chính xác và khả năng tái sản xuất cao, bao gồm một loạt các điều kiện quy trình và hệ thống vật liệu. Các phương pháp thông thường để dự đoán cửa sổ quy trình thường chỉ bao gồm các tính toán một chiều với khả năng biểu đạt hạn chế. Phân tích chi tiết hơn có thể được thực hiện bằng cách sử dụng mô phỏng CFD, thường dựa trên mã nguồn nội bộ hoặc phần mềm đóng. Trong nghiên cứu này, một mô hình CFD hai pha trong không gian hai và ba chiều đã được tạo ra trong OpenFOAM với mục đích cung cấp một phương pháp cho các nghiên cứu chi tiết hơn về quy trình phủ slot die với quyền truy cập mã nguồn và tệp công khai. Một điều kiện biên tùy chỉnh cho phép mô tả chính xác hành vi ướt trong mô hình hai chiều. Sự kết hợp của các điều kiện biên không trượt tiêu chuẩn tại biên nền với thuật toán giải pháp thể tích dòng chảy dẫn đến hiện tượng hút khí liên quan đến phương pháp, đã được ngăn chặn bằng cách cho phép trượt cục bộ tại đường ướt động ở meniscus phía trên trong mô hình hai chiều. Thêm vào đó, một thuật toán tinh chỉnh động cân bằng tải đã được triển khai để giảm bớt công sức tính toán và tăng tính dễ sử dụng của môi trường mô phỏng. Mô phỏng đã được xác thực bằng cách so sánh các giới hạn quy trình mô phỏng với các quan sát thực nghiệm, cho thấy sự phù hợp tốt. Kết quả là, mô hình này cho phép phân tích chi tiết về ảnh hưởng của hình dạng điện cực slot die, tính chất vật liệu và các thông số quy trình đối với độ ổn định của lớp phủ và hình dạng màng ướt.
Từ khóa
#slot die #coating #lithium-ion battery #CFD model #dynamic mesh refinement #wetting behaviorTài liệu tham khảo
Korthauer, R (ed) Handbuch Lithium-Ionen-Batterien, 1st edn. Springer, Berlin and Heidelberg (2013)
Kistler, SF, Schweizer, PM, Liquid Film Coating. Scientific Principles and Their Technological Implications. Springer, Dordrecht (1997)
Schmitt, M, “Slot Die Coating of Lithium-ion Battery Electrodes.” Dissertation, Karlsruher Institut für Technologie (KIT). https://publikationen.bibliothek.kit.edu/1000051733 (2015)
Dongari, N, Sambasivam, R, Durst, F, “Slot Coaters Operating in Their Bead Mode.” Coating, 11 1–6 (2007)
Ding, X, Liu, J, Harris, TAL, “A Review of the Operating Limits in Slot Die Coating Processes.” AIChE J., https://doi.org/10.1002/aic.15268 (2016)
Schmitt, M, Scharfer, P, Schabel, W, “Slot Die Coating of Lithium-ion Battery Electrodes: Investigations on Edge Effect Issues for Stripe and Pattern Coatings.” J. Coat. Technol. Res., https://doi.org/10.1007/s11998-013-9498-y (2014)
Takeaki, T, “Coating Flows of Power-Law Non-Newtonian Fluids in Slot Coating.” J. Soci. Rheol., https://doi.org/10.1678/rheology.38.223 (2010)
Ruschak, KJ, “Limiting Flow in a Pre-metered Coating Device.” Chem. Eng. Sci., https://doi.org/10.1016/0009-2509(76)87026-1 (1976)
Higgins, BG, Scriven, LE, “Capillary Pressure and Viscous Pressure Drop Set Bounds on Coating Bead Operability.” Chem. Eng. Sci., https://doi.org/10.1016/0009-2509(80)80018-2 (1980)
Landau, L, Levich, B, “Dragging of a Liquid by a Moving Plate.” In: Dynamics of Curved Fronts, pp. 141–153. Elsevier (1988)
Ruschak, KJ, “Boundary Conditions at a Liquid/Air Interface in Lubrication Flows.” J. Fluid Mech., https://doi.org/10.1017/S0022112082001281 (1982)
Diehm, R, Kumberg, J, Dörrer, C, Müller, M, Bauer, W, Scharfer, P, Schabel, W, “In Situ Investigations of Simultaneous Two-Layer Slot Die Coating of Component-Graded Anodes for Improved High-Energy Li-Ion Batteries.” Energy Tech., https://doi.org/10.1002/ente.201901251 (2020)
Spiegel, S, Heckmann, T, Altvater, A, Diehm, R, Scharfer, P, Schabel, W, “Investigation of Edge Formation During the Coating Process of Li-ion Battery Electrodes.” J. Coat. Technol. Res., https://doi.org/10.1007/s11998-021-00521-w (2021)
Panikaveetil Ahamed Kutty, F, Koppolu, R, Swerin, A, Lundell, F, Toivakka, M, “Numerical Analysis of Slot Die Coating of Nanocellulosic Materials.” Tappi J., 19 (11) 575–582 (2020)
Lin, C-F, Hill Wong, DS, Liu, T-J, Wu, P-Y, “Operating Windows of Slot Die Coating: Comparison of Theoretical Predictions with Experimental Observtions.” Adv. Polym. Technol., https://doi.org/10.1002/adv.20173 (2010)
Bhamidipati, KL, Didari, S, Harris, TA, “Slot Die Coating of Polybenzimiazole Based Membranes at the Air Engulfment Limit.” J. Power Sour., https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2013.03.132 (2013)
Chang, Y-R, Lin, C-F, Liu, T-J, “Start-up of Slot Die Coating.” Polym. Eng. Sci., https://doi.org/10.1002/pen.21360 (2009)
Kanthi Latha Bhamidipati, “Detection and Elimination of Defects During Manufacture of High-Temperature Polymer Electrolyte Membranes.” Ph. D, Georgia Institute of Technology. https://smartech.gatech.edu/bitstream/handle/1853/43616/bhamidipati_kanthilatha_201105_phd.pdf?sequence=6&isAllowed=y (2011). Accessed 20 March 2021
Brethour, J, “Simulation of Viscoelastic Coating Flows with a Volume-of-fluid Technique.” http://www.flow3d.com/wp-content/uploads/2014/08/Simulation-of-Viscoelastic-Coating-Flows-with-a-Volume-of-fluid-Technique.pdf (2005). Accessed 14 February 2022
Ahn, W-G, Lee, SH, Nam, J, Chun, B, Jung, HW, “Simultaneous Analysis of Die Internal and External Flows in Slot Coating Process.” J. Chem. Eng. Japan, https://doi.org/10.1252/jcej.17we313 (2019)
Mezger, T, “Das Rheologie Handbuch. Für Anwender von Rotations- und Oszillations-Rheometern.” 5th edn. Farbe und Lack Bibliothek. Vincentz Network GmbH & Co. KG, Hannover (2016)
Paschedag, AR, CFD in der Verfahrenstechnik. Wiley, Weinheim (2004)
InterFoam - OpenFOAMWiki. https://openfoamwiki.net/index.php/InterFoam (2018). Accessed 20 March 2021
Kistler, SF, “The Fluid Mechanics of Curtain Coating and Related Viscous Free Surface Flows with Contact Lines.” Ph. D., University of Minnesota (1984)
Lauth, GJ, Kowalczyk, J, Einfhrung in die Physik und Chemie der Grenzflächen und Kolloide. Springer (2015)
Blake, TD, Bracke, M, Shikhmurzaev, YD, “Experimental Evidence of Nonlocal Hydrodynamic Influence on the Dynamic Contact Angle.” Phys. Fluid., https://doi.org/10.1063/1.870063 (1999)
Rettenmaier, D, Deising, D, Ouedraogo, Y, Gjonaj, E, de Gersem, H, Bothe, D, Tropea, C, Marschall, H, “Load Balanced 2D and 3D Adaptive Mesh Refinement in OpenFOAM.” SoftwareX, https://doi.org/10.1016/j.softx.2019.100317 (2019)
HenningScheufler, "Dynamic Meshing with Load Balancing for Hexahedral Meshes in 3D and 2D.” https://github.com/HenningScheufler/multiDimAMR (2021). Accessed 11 April 2021
Slater, JW, “Examining Spatial (Grid) Convergence.” https://www.grc.nasa.gov/www/wind/valid/tutorial/spatconv.html (2021). Accessed 20 March 2021