電池制造工藝仿真的案例
鋰離子電池制造工藝仿真技術進展
摘要: 鋰離子電池的綜合性能不僅取決于材料和結構的創新，還與制造工藝及相關設備技術的進步息息相關。目前電池制造廠商針對不同體系的電池工藝開發多采用窮舉法進行實驗試錯，在工藝仿真技術方面還存在較大的發展空間。面向電池高質量制造發展和數智化升級的行業發展趨勢，本文結合宏觀電池制造設備和微觀電池電極結構兩個角度，對電池制造工藝仿真研究現狀進行了系統總結，分析了各工序工藝仿真技術機理研究、結構發展及應用前景，并進一步指出當前研究的不足及未來的發展趨勢，旨在為優化鋰離子電池的制造流程和提高其綜合性能提供理論參考。
關鍵詞: 鋰離子電池 ; 電極制造 ; 電池制造工藝仿真 ; 電極微觀結構 ; 電池制造設備
前言
能源存儲是人類在21世紀面臨的重大挑戰之一［1］，作為電動汽車的主要儲能設備，鋰離子電池以其優異的電化學性能及經濟性表現在全球儲能設備中發揮著不可替代的作用［2］。為進一步提高鋰離子電池的綜合表現，探究鋰離子制造工藝參數與電極微觀結構以及電池整體電化學性能之間的相對關系，基于此建立對應的模型化表達已成為目前行業的研究熱點之一［3-4］。近年來學界對鋰離子電池單體、模組、電池包及整車系統的宏觀仿真模擬發展已趨于成熟［5-6］，但在微觀尺度下依據鋰離子電池各制造工藝機理進行建模并探究對電池性能影響的研究仍在起步階段［7］。探究電池制造工藝對電極結構的影響，并建立電極微觀結構與鋰離子電池整體電化學性能的關系，以此為基礎對鋰離子電池制造工藝流程進行優化設計顯得尤為重要［8］，圖1所示為鋰離子電池從電極材料選擇到整車系統設計的多尺度處理和仿真示意圖。
圖1 鋰離子電池制造從材料探究到系統設計的多尺度處理和模擬示意圖
鋰離子電池本身是一個極復雜的電化學系統，其性能受到多個物理場內不同因素的影響，表現出時變性和不可觀測性［10］。
展開 報名 | 聚焦行業：汽車動力電池生產制造工藝仿真
對于電池企業來說，電池的生產制造工藝是至關重要的一個環節，它直接決定最終電池產品的成品率，而物料使用率和生產規模等諸多因素也影響著企業的利潤。已有多家海外電池企業，如松下和LG化學等，由于很早就對電池工藝仿真做了大量研究和實踐，目前他們的電池差品率可達到驚人的3ppm（百萬分之三），相比之下目前國內絕大多數電池廠商還仍有較大差距。
涂布機模具外部流動速度分布
涂布機模具外部流動膜厚分布
鑒于Ansys擁有完備的多物理場電池仿真解決方案，我們將在5月5日推出《聚焦行業：汽車動力電池生產制造工藝仿真》網絡研討會，本次活動將針對電池生產制造工藝的不同過程準備相應最佳實踐案例，尤其以下兩大生產工序：電極生產制造，包括勻漿過程、涂布過程和干燥過程；膜生產制造，T型模具和雙螺桿擠出系統。歡迎電池生產企業工程師、電池生產工藝設備設計工程師、新能源動力電池工程師預約本次活動了解更多詳情。
時間
5月5日（星期四），9:30-12:00
講師介紹
井文明 | Ansys電池行業專家
Ansys電池行業專家及流體高級工程師。畢業于北京航空航天大學，具有10年豐富的流體仿真及測試經驗，專注于燃燒、化學反應及新能源電池等專業方向。
展開 電池設計 | 如何利用仿真提高電動汽車電池工藝制造效率
UKBIC數字負責人Timothy Addison博士表示：“在UKBIC，我們支持客戶應對快速上漲的成本和激烈的行業競爭，將電池技術成功推向市場。高效利用資源以及對預測性建模與仿真的高度重視，對于實現商業成功至關重要。我們不能靠運氣進行大規模工藝制造；相反，我們使用Ansys解決方案來改進產品設計和流程設置，確保在每次工藝制造開始之前就做好準備。”
Ansys廣泛而深入的物理功能涵蓋了電池生產流程的諸多方面（如上圖所示）。例如，在涂布過程中，使用Ansys Fluent流體仿真軟件進行精確的多相仿真，可以在準備物理原型之前對涂布機的許多條件和幾何結構進行虛擬測試。
涂布完成后，電池需要經過一個被稱為壓延（如上圖所示）的壓實過程，這對鋰離子電池的孔隙結構和性能有顯著影響。通過使用Ansys Rocky顆粒動力學仿真軟件，可以在壓延過程中查看微觀結構級別的情況，并且與用于結構工程的Ansys Mechanical有限元分析（FEA）軟件和Ansys LS-DYNA多物理場軟件結合使用時，還可以識別在此過程中壓縮導致的殘余應變，尤其是存在缺陷時。
Ansys首席應用工程師Akira Fujii表示：“電池工藝制造是非常動態的過程，與此同時，客戶方面的工程目標強調了流程和設備優化的必要性，以保持一致的質量或實現質量改進，同時滿足特定標準。例如，如果薄膜涂布工藝在厚度上缺乏均勻性，或者材料厚度的變化會影響幾何結構，我們可以在仿真環境中對這些情況進行快速評估和解決。”
制造商希望借助數字孿生獲得運營成功
未來的一個電池工藝變革趨勢，涉及通過數字孿生進一步提升生產數字化程度。制造商可以使用傳感器數據和仿真數據來開發數字孿生。這些模型，即真實生產流程的虛擬表示，可用于了解和改進整個工藝流程。
展開 Ansys電池生產制造工藝過程仿真解決方案
客戶案例-CALB
ANSYS Fluent的仿真技術在鋰電池工藝制造應用
極片涂布仿真介紹
涂布工序在極片工序中相當重要，涂布質量嚴重影響電池極片質量（面密度）包括后續工序。
Fluent仿真技術在鋰電池工藝制造過程中的應用案例
案例一：極片涂布仿真
涂布工序在極片工序中相當重要，涂布質量嚴重影響電池極片質量（面密度）以及后續工序。通過涂布仿真可以優化涂布墊片結構設計，縮短驗證時間、降低墊片開發費用和漿料使用成本；也可以優化涂布工藝參數選擇，建立涂布數字化模型，縮短涂布工藝爬產時間。目前我們已掌握涂布仿真各個技術難點，構建了涂布內/外流場非牛頓流體漿料的多相流模型，可以在微米層級上精確地體現涂布漿料的濕膜厚度分布，精度誤差在8%以內。目前已經多次用于工藝涂布問題解決分析，起到了很好的虛擬驗證作用。
案例二：激光焊接動態熱仿真
仿真原因：調試階段，出現正負極終焊焊印燙傷轉接片背部PP塑膠的情況，正極較為嚴重，負極塑膠邊緣縮化。
仿真測試：需測量焊接時的轉接片背部溫升，測量融化后的塑膠厚度計算縮化量。
仿真PP下邊界增加茶膠間隙下的仿真結果最高溫為294℃，高溫區域大部分為264-240℃溫度范圍，和實測245.7℃溫度結果非常接近，表明仿真模型符合實際，可以用于下一步方案預測。
模擬過程：
Fluent可以成功模擬焊接過程中動態熱源的的變化過程，獲得此工況下結構內部的溫度場瞬態變化。后續可用于結構熱應力及變形的分析。
案例三：輥壓烘箱動網格熱仿真
當前的鋰電池極片涂布生產工藝，主要采用的是濕法涂布方式，濕法涂布工藝中，是將正極或負極材料涂布在正極或負極集流體表面后，經過烘干貼合在一起，而烘干工序的主要設備為烘箱，對極片的生產效率和涂層的質量起到了至關重要的作用，同時烘箱也是能耗消耗最高的鋰電池生產設備之一，并且在濕法涂布中，nmp溶劑的應用雖然對正負極材料帶來利好，但同時也帶來了需要把控安全和集中回收等問題。
展開 鋰電池制造工藝全解析
鋰電池結構
不同結構形式、不同材料的工藝相似但裝備需全新配置
鋰離子電池構成主要由正極、負極、非水電解質和隔膜四部分組成。目前市場上采用較多的鋰電池主要為磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池，二者正極原材料差異較大，生產工藝流程比較接近但工藝參數需變化巨大。若磷酸鐵鋰全面更換為三元材料，舊產線的整改效果不佳。對于電池廠家而言，需要對產線上的設備大面積進行更換。
鋰電池制造工藝
前中后三道工序，占比接近35%/30%/35%
鋰電池的生產工藝比較復雜，主要生產工藝流程主要涵蓋電極制作的攪拌涂布階段（前段）、電芯合成的卷繞注液階段（中段），以及化成封裝的包裝檢測階段（后段），價值量（采購金額）占比約為（35~40%）:（30~35）%:（30~35）%。差異主要來自于設備供應商不同、進口/國產比例差異等，工藝流程基本一致，價值量占比有偏差但總體符合該比例。
鋰電生產前段工序對應的鋰電設備主要包括真空攪拌機、涂布機、輥壓機等；中段工序主要包括模切機、卷繞機、疊片機、注液機等；后段工序則包括化成機、分容檢測設備、過程倉儲物流自動化等。除此之外，電池組的生產還需要Pack 自動化設備。
鋰電前段生產工藝
極片制造關系電池核心性能
鋰電池前端工藝的結果是將鋰電池正負極片制備完成，其第一道工序是攪拌，即將正、負極固態電池材料混合均勻后加入溶劑，通過真空攪拌機攪拌成漿狀。配料的攪拌是鋰電后續工藝的基礎，高質量攪拌是后續涂布、輥壓工藝高質量完成的基礎。
涂布和輥壓工藝之后是分切，即對涂布進行分切工藝處理。如若分切過程中產生毛刺則后續裝配、注電解液等程序、甚至是電池使用過程中出現安全隱患。因此鋰電生產過程中的前端設備，如攪拌機、涂布機、輥壓機、分條機等是電池制造的核心機器，關乎整條生產線的質量，因此前端設備的價值量（金額）占整條鋰電自動化生產線的比例最高，約35%。
展開 設計仿真 | 海克斯康工藝仿真軟件裝備制造行業交流研討會
會議邀請函
海克斯康工業軟件
工藝仿真軟件
交流研討會
在數字化轉型的驅動下，作為國家裝備制造業的代表，航空、航天等行業無疑是國家工業制造的核心產業。在這個關鍵的時期，新技術應用與研發創新的內在驅動，使得企業的制造工藝的提升面臨著重大挑戰。如何才能滿足零部件的高復雜性、高適應性、輕量化設計要求，避免制造工藝中質量問題，如變形問題、應力集中與開裂問題導致的工藝研制周期長、效率低等值得進一步思考。
企業智能制造轉型的重要途徑與模式，與制造工藝數字化、信息化、智能化息息相關。海克斯康工業軟件Simufact工藝仿真方案涵蓋金屬制造全工藝鏈仿真，為驅動企業智能制造轉型，提供了強有力的軟件方案與應用支撐。方案主要分為熱處理及金屬塑性成形工藝仿真（冷熱鍛造、碾環、自由鍛、鈑金沖壓、旋壓等）、焊接裝配工藝仿真以及非常適合航空航天制造工藝的增材制造工藝。
展開 設計仿真 | Simufact Additive仿真預測電子產品打印缺陷，優化增材制造工藝
引言
隨著增材制造技術的不斷成熟，增材制造工藝在電子行業的滲透率不斷增加，其在電子行業的應用主要體現在消費電子、柔性電子、先進封裝等領域，通過高精度增材制造技術實現個性化、復雜結構的零部件的快速制造。
電子產品中的金屬結構件在3D打印過程中會遇到打印變形超差、開裂等問題，尤其在首次打印結構件時，沒有過往經驗可借鑒，只能通過不斷試錯來尋找解決方案。
對于前期工藝開發，借助增材仿真專業軟件，可減少試錯次數，有效縮短研發周期。Simufact Additive增材制造仿真軟件，憑借其簡潔易用、多種算法、求解精確、功能完善、自動優化補償、結合掃描數據高級補償功能等優勢贏得了眾多用戶的好評。
增材制造工藝仿真方案
Simufact Additive 增材制造仿真軟件主要功能包括鋪粉增材制造工藝仿真、鋪粉增材制造工藝缺陷分析仿真、金屬粘結劑噴射成型工藝仿真、機加仿真分析，算法上涵蓋了固有應變、熱學分析、熱力耦合分析，包含制造過程和校核功能分析，針對鋪粉增材制造工藝，軟件可實現增材過程分析、熱處理、熱等靜壓、線割、支撐移除等工藝過程全流程仿真分析。通過Simufact Additive對增材制造過程仿真分析主要打印變形、開裂、卡刮刀預測、收縮線、應力、應變、相變、匙孔、表面粗糙度等，并且軟件具有變形補償自動優化，能夠將優化后的結構導出STEP等格式，最終幫助用戶實現一次打印成功。
表殼增材應用案例
通過Simufact Additive增材仿真軟件對表殼增材工藝研究，軟件可以幫助研究不同的擺放角度對打印變形的影響、不同的支撐方式的影響、變形補償自動優化、打印后消除殘余應力熱處理等影響。該案例主要工藝過程為打印——線割——支撐移除。
展開 設計仿真 | 軸承座創成式設計到增材制造工藝仿真應用
Simufact
增材制造（“3D打印”）技術集先進制造、智能制造、綠色制造、新材料、等技術于一體的新技術。增材制造技術從原理上突破了復雜異型構件的技術瓶頸，實現材料微觀與宏觀的可控成形，從根本上改變了傳統“制造引導設計、可制造性優先于設計、傳統經驗設計”的設計理念，真正意義上實現了創成式式設計、拓撲優化設計的轉變，為航空、航天、機械、汽車、電子等以及新產業的發展開辟了巨大空間。那么針對創成式增材結構設計到增材工藝一體化評估，海克斯康提供了完整的解決方案。
01
創成式設計解決方案
海克斯康的創成式設計軟件MSC Apex Generative Design具有增材制造工藝做結構設計與優化功能，一改傳統拓撲優化軟件操作復雜、需多個平臺（多個人員）數據傳遞、結構強度不足等弊端，堅持做具有高度自動化、操作簡單、以應力為導向的創成式設計平臺，創建光順、輕質、一體的“有機”結構設計，真正做到為增材制造提供質量好、重量輕、結構美觀的產品設計。
海克斯康的金屬增材制造工藝仿真解決方案Simufact Additive更是在國內外增材制造加工領域享有很高的知名度，作為為全球客戶服務的增材制造的仿真解決方案，Simufact Additive可對粉床熔融、粘結劑噴射、機加等增材制造工藝進行仿真分析。Simufact Additive軟件主要工作內容是在3D金屬打印前，通過對打印過程、掃描策略、工藝參數、基板螺釘卸載、線割、熱處理、HIP、支撐移除等過程仿真，預測打印變形、打印開裂、收縮線、卡刮刀等制造缺陷，軟件具有支撐優化、變形補償自動迭代優化功能，幫助用戶優化打印變形，做打印可行性分析、成本評估等，通過多種仿真分析方法，幫助客戶快速對比不同的打印方案，實現一次打印成功，降低試錯次數，從而節省成本。
展開 成形仿真技術簡化大型鍛件制造工藝
由于每個曲軸都有其具體特征，因此這些曲軸的制造與設計是一項挑戰。而這正是成型仿真技術大顯身手之處。
挑戰
Wildauer Schmiedewerke GmbH是歐洲少數幾家能夠制造此類“卡鉗”的公司之一。Wildauer的旗艦型壓機是一款630 kJ鍛錘，能夠鍛造重達3500kg的模鍛部件。Wildauer Schmiedewerke的客戶幾乎囊括所有為造船、柴油機車及發電機制造大型柴油發動機的廠家。
Wildauer Schmiedewerke與哈根集團的Schmiedag GmbH & Co. KG 合作，將模具概念與制造工藝編排相結合。這兩家公司均為Georgsmarienhütte Holding GmbH Group所屬的獨立工廠。由于采用了不同的總成，因此Schmiedag和Wildauer Schmiedewerke可提供各種零部件。為優化工藝并獲得理想的效果，這兩家公司均加大了成型仿真技術的使用。
曲軸——發動機的心臟
大型柴油發動機的曲軸尤其重要。曲軸需要滿足極其苛刻的要求，由于故障總是伴隨著巨額成本并危及生命（例如在海上出現傳動裝置故障），因此其設計、制造須能夠承受整個壽命周期內的發動機巨大負載。
對于較小的曲軸，可在鍛壓機中制造，例如汽車曲軸。所需的能量和擠壓力足以滿足成型工藝。而對于較大的曲軸，例如用于大型柴油發動機的曲軸，由于無法一次性施加整個成型工藝所需的能量，因此必須經過多次加熱和擊打來產生所需
的最終形狀。這需要經驗豐富的鍛工技師來掌控鍛造工藝及其團隊。此外，一定要事先對鍛模和鍛造工藝進行適當的編排，以簡化整個制造工藝、打造出理想的零部件。
鍛造工藝
大型曲軸通常分兩階段鍛造。第一個階段是分配質量，讓曲柄臂區域內有充足的材料。
展開 成形仿真技術簡化大型鍛件制造工藝
[圖片]
案例分享 | CFD仿真在半導體制造工藝過程中的應用
使用計算仿真來可視化氣流將有助于更好地理解物理現象，從而提高質量并降低成本。Hirata公司將這一職任務配給了Mr. Motoyama，他主導探索研究工作，找到了合適的流體分析工具。團隊最初尋找的是一種可以模擬移動物體的分析工具，例如大型基板傳輸機器人。由于公司的許多產品都是大型的、形狀簡單的設備， Hirata公司尋找了一種配備快速求解器的結構化網格分析工具。經過廣泛的調查，他們決定使用滿足產品和預算要求的scSTREAM。
半導體生產設備的氣流分析
Hirata公司對用于生產半導體的EFEM（設備前端模塊）進行了一系列分析（圖2）。
圖 2:
EFEM用于先前的半導體生產工藝（上）
EFEM的分析示例，顯示速度矢量和云圖（下）
在整個晶圓制造過程中，EFEM用于將晶圓從FOUP（Front-Opening Unified Pod，包含數十個晶圓的容器）轉移到制造設備。“用于半導體生產的空間必須絕對的干凈。空間越大，保持清潔的成本就越高。為了解決這個問題，我們采用了“微環境”的概念，僅在晶片的周圍保持清潔度。” Mr.Matsumura解釋說。EFEM使用微環境的概念來轉移晶圓。半導體器件的制造工藝包括七個階段，可以分為100多個步驟。EFEM用于許多階段，包括構圖、蝕刻和離子束注入，來轉移晶圓并保持晶圓周圍空間清潔。一個說明性的示例是連接到EFEM的蝕刻設備，連接到一個稱為加載端口的接口。
展開 案例分享 | CFD仿真在半導體制造工藝過程中的應用
使用計算仿真來可視化氣流將有助于更好地理解物理現象，從而提高質量并降低成本。Hirata公司將這一職任務配給了Mr. Motoyama，他主導探索研究工作，找到了合適的流體分析工具。團隊最初尋找的是一種可以模擬移動物體的分析工具，例如大型基板傳輸機器人。由于公司的許多產品都是大型的、形狀簡單的設備， Hirata公司尋找了一種配備快速求解器的結構化網格分析工具。經過廣泛的調查，他們決定使用滿足產品和預算要求的scSTREAM。
半導體生產設備的氣流分析
Hirata公司對用于生產半導體的EFEM（設備前端模塊）進行了一系列分析（圖2）。
圖 2:
EFEM用于先前的半導體生產工藝（上）
EFEM的分析示例，顯示速度矢量和云圖（下）
在整個晶圓制造過程中，EFEM用于將晶圓從FOUP（Front-Opening Unified Pod，包含數十個晶圓的容器）轉移到制造設備。“用于半導體生產的空間必須絕對的干凈。空間越大，保持清潔的成本就越高。為了解決這個問題，我們采用了“微環境”的概念，僅在晶片的周圍保持清潔度。” Mr.Matsumura解釋說。EFEM使用微環境的概念來轉移晶圓。半導體器件的制造工藝包括七個階段，可以分為100多個步驟。EFEM用于許多階段，包括構圖、蝕刻和離子束注入，來轉移晶圓并保持晶圓周圍空間清潔。一個說明性的示例是連接到EFEM的蝕刻設備，連接到一個稱為加載端口的接口。
展開 尋找增材制造的那根肋骨—DfAM與工藝仿真之路
同樣，作為面向增材設計工程師的Workbench Additive通過熱力耦合算法，可以對打印過程、熱處理過程的溫度變形和殘余應力及增材制造對應的相關后處理工序：去基板及去支撐過程的變形及殘余應力進行有效預測，且能與拓撲優化形成無縫流程，幫助工程師們完成DfAM增材制造設計一體化流程。
04結 語
盧秉恒院士在《增材制造技術——現狀與未來》一文中提出: 建立“應用發展為先導、技術創新為驅動、產業發展為目標”的研究發展思路，以推進增材制造技術的發展，為創新型國家建設提供有力支撐。借工藝仿真的力量，DfAM增材制造一體化流程得以更加完整，從制造過程的物性變化到復雜結構零件的成形風險控制，一件合格的產品，從設計到打印，乃至大批量增材制造零件的生產, 仿真都不能缺席。
作者：張圓，激光增材制造方向工學碩士，安世亞太DfAM賦能業務部增材工藝仿真工程師，擅長金屬增材工藝仿真及航空航天類零件增材工藝研發。
增材思維，數智未來
展開 成形仿真技術簡化大型鍛件制造工藝
[圖片]
