鋰電池原材料預(yù)處理至涂布

1、2018 年4 月機(jī) 械 科 學(xué) 與 技 術(shù)Mechanical Science and Technology for Aerospace EngineeringApril2018Vol37 No4第 37 卷 第 4 期DOI: 1013433 / j1003-872820180403鋰電池原材料預(yù)處理至涂布工藝方案設(shè)計(jì)12111，*(300130)1 河北工業(yè)機(jī)械2 唐山學(xué)院 機(jī)電工程系，唐山063000摘要:為提高鋰電池漿料的效率與質(zhì)量，在現(xiàn)有工藝方案的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種自動化程度較高的從鋰離子動力電池原材料預(yù)處理工藝到涂布工藝的真空連續(xù)制漿工藝方案。并運(yùn)用幾何AHP法對應(yīng)用比較廣泛的三

2、種制漿工藝方案與設(shè)計(jì)的真空連續(xù)制漿工藝方案進(jìn)行方案評價(jià)。結(jié)果表明: 影響漿料質(zhì)量的關(guān)鍵因素分別是制漿系統(tǒng)自動化程度、混合分散工藝以及原材料預(yù)處理工藝; 該工藝方案與現(xiàn)有的工藝方案相比具有一定的優(yōu)勢。以幾何AHP法的結(jié)論為依據(jù)，對真空連續(xù)制漿關(guān)鍵進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，最終得出了真空連續(xù)漿料系統(tǒng)原理圖。: 鋰離子動力電池; 原材料預(yù)處理; 幾何AHP 法; 真空連續(xù)制漿號: TH162文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A文章編號: 1003-8728( 2018) 04-0505-05Design of Pretreatment Process and Coating Process foraw Material of L

3、ithium BatteryJin Meina1 ，Liu Chunxiang2 ，Li Zhao1 ，Liu Qin1 ，Guan Yuming1，*()1. School of Mechanical Engineering，Hebei University of Technology ，Tianjin 300130，2. School of Mechanical Engineering，Tangshan College，Tangshan 063000，Abstract: In order to improve the efficiency and quality of lithium ba

4、ttery slurry preparation，on the basis oftheexisting process plan，this paper designs a vacuum continuous pulping process which can realize from the raw material pretreatment process of lithium ion power battery to the coating process by automatic Using the method of geometric weighted AHP to build th

5、e transfer matrix method，the paper carries out the reliability analysis to evaluate the scheme of three kinds of pulping process and the design of vacuum continuous pulping The results show that: the key factors influencing the quality of slurry are the degree of automation of the pulping system，the

6、 process of mixing anddispersing and the pretreatment of raw materials comparing with the existing technology，the process has someadvantages Based on theof geometric weighted AHP method，the key equipment of vacuum continuouspulping process is researched，and finally the schematic diagram of vacuum sl

7、urry preparation system is obtainedKeywords: automatic process; reliability analysis; transfer matrix method; schematic diagram of system漿料分散質(zhì)量的好壞，直接影響到鋰離子動力和制漿過程的效率主要由混料制漿工藝所決定的?，F(xiàn)有工藝方案多為人工及半自動化生產(chǎn)，制得漿料質(zhì)量差。應(yīng)廠家要求，設(shè)計(jì)了一種自動化程度較高的工藝方案，與現(xiàn)在應(yīng)用比較廣泛的幾種工藝方案進(jìn)行方案評價(jià)，得出影響漿料質(zhì)量的主要因素和比較合適的工藝方案，進(jìn)而對較合適的工藝方案關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。的性

8、能，而漿料分散質(zhì)量電池生產(chǎn)的質(zhì)量及其收稿日期: 2017 02 27基金項(xiàng)目: 作者簡介:市科技特派員項(xiàng)目( 14JCTPJC00532) 資助( 1991 )，及其，研究方向?yàn)闄C(jī)電，1429276539 qqcom成套通訊作者:*，教授，博士生導(dǎo)師，gyuming 163comhttp: / / journalseducn /機(jī)械科學(xué)與技 術(shù)第 37 卷506對于方案的評價(jià)有很多，主要高，制得漿料質(zhì)量低，故設(shè)計(jì)了一種從鋰離子動力電 池原材料預(yù)處理工藝到涂布工藝的真空連續(xù)制漿工 藝方案( 后稱新型工藝方案) 。新型工藝方案漿料過程為: 將所有的原材料粉體置于真空干燥罐中進(jìn)行干燥，干燥完成后通過

9、真空吸料機(jī)吸入到自 動計(jì)量罐中，將計(jì)量好的所有原材料粉體與溶劑一 起加入層次分析法、綜合評分法、模糊評價(jià)法、指數(shù)法和功效系數(shù)法等等，各類均有其優(yōu)缺點(diǎn)1。層次分析法( 簡稱 AHP 法) 是一種解決多目標(biāo)的定性與定量相結(jié)合的決策分析2-3。本工藝方案的決策過程是一個(gè)多目標(biāo)、多準(zhǔn)則，且無法進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)量的復(fù)雜，因此選用AHP 法對混料的工藝方案進(jìn)行評價(jià)。有學(xué)者到混合中進(jìn)行預(yù)混合，攪拌一間后， 再將預(yù)認(rèn)為AHP 法性強(qiáng)、所構(gòu)建的矩陣一致性差、混合后的漿料注入混合分散中，真空攪 拌一間，脫泡過濾制得漿料( D2 ) 。圖 1 為真空連續(xù)制漿工藝路線圖。逆序，他們提出模糊 AHP 法4，即把模糊理論與 A

10、HP 法相結(jié)合。，層次分析法創(chuàng)始人Satty5-8等指出AHP 法在使用 1 9 標(biāo)準(zhǔn)尺度建立判斷矩陣時(shí)沒有精確化，模糊 AHP 對其進(jìn)行模糊化是沒有意義的，而且模糊AHP法改變了矩陣的構(gòu)建，不再符合 AHP 法的基本原理。文獻(xiàn)9-12中提出一種幾何AHP法，該方法滿足嚴(yán)格的一致性和性要求，可以在某種程度上解決經(jīng)典AHP法的。實(shí)明，幾何法和模糊AHP法計(jì)算權(quán)重結(jié)果相對經(jīng)典AHPAHP法更優(yōu)。因此，本文中運(yùn)用幾何AHP法對鋰離子動力電池制漿的工藝方案進(jìn)行評價(jià)，根據(jù)分權(quán)重確定影響漿料質(zhì)量的關(guān)鍵因素，根據(jù)綜合權(quán)重確定各個(gè)方案的優(yōu)劣順序，從而選出合適的工藝方案并根據(jù)關(guān)鍵因素對主要進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。圖 1

11、真空連續(xù)制漿工藝路線圖1工藝方案實(shí)現(xiàn)該工藝方案的改變:主要在以下幾點(diǎn)進(jìn)行了1. 1現(xiàn)有工藝方案將制漿工藝過程進(jìn)行了歸納總結(jié)，得出了三種應(yīng)1)料斗底部的擋料閥為帶有配重塊的活動門，料斗內(nèi)的物料達(dá)到設(shè)定的重量時(shí)，活動門翻轉(zhuǎn)，使物料排出料斗，從而實(shí)現(xiàn)了自動稱量14。該過程實(shí)現(xiàn)了用比較廣泛的工藝方案。具體漿料的過程如下:1)將所有經(jīng)過烘干后的原材料粉體分別進(jìn)行稱原材料預(yù)處理工藝與稱量工藝的2) 首先將全部原材料加入到混合。量，然后將其逐步加入到行星混合中，同時(shí)向其中進(jìn)行中加入所需分散溶劑總量的 50% 70%左右進(jìn)行混合分散，在攪拌過程中將剩余的溶劑繼續(xù)逐步添加，預(yù)混合，攪拌一間后使其分散混合均勻，再

12、將預(yù)混合后的漿料通入到混合分散中，真空攪拌一段實(shí)時(shí)調(diào)整漿料粘度直至其各參數(shù)達(dá)到預(yù)期( D1 )。時(shí)間，脫泡過濾制得漿料，再將漿料通過真空泵輸送至涂料機(jī)，實(shí)現(xiàn)了從混料制漿工藝至涂布工藝的一體化。2)將適量溶劑和經(jīng)過烘干后的適量粘結(jié)劑同時(shí)加入行星混合中，高速攪拌一間，制得膠體，同時(shí)繼續(xù)向行星混合中逐次加入導(dǎo)電劑和活性材料粉體，采用分段攪拌的工藝過程，制得導(dǎo)電2運(yùn)用幾何AHP 法評價(jià)制漿工膠，最終制得漿料13( D ) 。3將烘干后的導(dǎo)電劑與活性材料粉體進(jìn)行稱藝方案3)量，定量的放入研磨中使二者均勻混合分散，同21 制漿工藝方案評價(jià)體系的建立首先確定影響漿料質(zhì)量和制漿效率的各個(gè)指標(biāo)，并據(jù)此建立合理有

13、效的評價(jià)體系，運(yùn)用幾何AHP 法確定混料工藝方案流程圖，如圖 2 所示。時(shí)向行星混合中加入適量的溶劑和粘結(jié)劑，攪拌制膠。向制得膠體中分步加入混合均勻的固體粉末，實(shí)時(shí)測量漿料粘度，直至達(dá)到所需要求( D4 )12 新型工藝方案。因現(xiàn)有工藝方案自動化程度較低，制漿效率不http: / / journalseducn /第 4 期等: 鋰電池原材料預(yù)處理至涂布工藝方案設(shè)計(jì)507請對矩陣進(jìn)行打分，并使用幾單元的打分進(jìn)行均值尺度之值的反法對來自單一采用四舍五入的投影于1 9基本中。如果值在( 1 /9 1) 之間，則對采用四舍五入法并投影于基本求反，從而得到最終結(jié)果9。表本尺度。尺度，然后再1為1 9基

14、表 1 1 9 標(biāo)度說明 標(biāo)度說明13579X 和 Y 同等重要X 比 Y 稍微重要X 比 Y 明顯重要X 比Y 重要很多X 比Y 絕對重要 2、4、6、8兩相鄰標(biāo)度的中間值矩陣如表 2 和表 3 所分目標(biāo)層下的兩兩示。并用同樣得到評價(jià)指標(biāo)下的兩兩矩陣和總目標(biāo)層下的兩兩矩陣。圖 2 混料工藝方案流程圖表 2B1 分目標(biāo)層下的兩兩矩陣22建立層次評價(jià)體系在進(jìn)行鋰電池混料工藝方案選擇時(shí)，要考慮到以C1C2C3C4C5C6C1 C211/21/31/31/21/2211/21/21/21/23211/21/21/23221222221/2112221/211下 4 點(diǎn):1)原材料經(jīng)干燥后，要盡量避免

15、在大氣環(huán)境中;2)混料工藝過程容易操作;3)減少C3人工參與度，盡可能提升自動化程度;的過程效率高，制得的漿料質(zhì)量好。4)攪拌漿料C4C5 C6找到影響鋰離子電池混料制漿過程中的各種影響因素指標(biāo)，建立層次評價(jià)體系，如圖 3 所示。表 3B2 分目標(biāo)層下的兩兩矩陣C4C5C6C7C8C411/21/231/2C5211/221C622121C71/31/21/211/3C82113124 確定評價(jià)體系各層指標(biāo)的權(quán)重為了得到評價(jià)體系中各指標(biāo)的權(quán)重，需對求解。分別得出第四層( D 層)圖 3比較矩層次評價(jià)體系圖方案層在每個(gè)指標(biāo)下的權(quán)重向量、第二層( B 層) 分目標(biāo)層對第一層( A 層) 總目標(biāo)層的

16、權(quán)重向量以及第三層( C 層) 的指標(biāo)層對第二層( B 層) 分目標(biāo)層的23構(gòu)造矩陣在評價(jià)指標(biāo)體系階遞層次結(jié)構(gòu)合理的條件下，為了得到各評價(jià)指標(biāo)對總體性能的影響程度，采用專權(quán)重向量。進(jìn)一步求出每個(gè)比較矩陣的最大特家群體建立矩陣。矩陣9。采用兩兩比較構(gòu)造征值，對比較矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。因比較判斷矩陣過多，故以第一個(gè)矩陣進(jìn)行計(jì)算舉例，其他矩http: / / journalseducn /機(jī) 械 科 學(xué) 與 技 術(shù)第 37 卷508陣用同樣得出權(quán)重向量，并用同樣行一致性檢驗(yàn)。經(jīng)檢驗(yàn)后，表中的表 5 第一層與第二層的計(jì)算矩陣分別進(jìn)矩陣均滿足Ai排序B1B2一致性。矩陣 C1 的計(jì)算過程如下: 將比較矩

17、陣0. 6660. 333 3代入用公式W = ( w1 ，w2 ，wn )0. 1520. 133D1D20. 1450. 3450. 1930. 2164132T( 1)0. 3160. 2310. 1910. 4110. 1350. 277n1(D i j )3anD4j 1i = 1，2，n式中: w=inn1n( akj)對計(jì)算矩陣進(jìn)行總一致性檢驗(yàn)，將最終得到的k 1 j 1得出比較矩陣 C1 的權(quán)重向量=C1計(jì)算值與0. 1進(jìn)行比較，即:0. 135，0. 33，0. 434，0. 102。由公式CI = a CI + a CI + + a CI( 6)( 7)112 2m m(

18、C W)n11imaxI = a I+ a I + + a I=( 2)112 2m mni 1w i=CCII( 8)求得 C1的最大特征值 max = 4. 184，代入一致性檢驗(yàn)公式，即:通過上述公式計(jì)算可得 C = 0. 02790. 1，C =max n0. 010. 1，C = 0. 09 0. 1均能通過一致性檢驗(yàn)。CI =( 3)n 1因此，計(jì)算出的最終權(quán)重是合理的。由表 5 得出每個(gè)方案的最終權(quán)重，根據(jù)最終的權(quán)重排序選出合適 的工藝過程，新型的方案二所占權(quán)重最大為 0. 345， 故綜合所有影響因素，方案二相對其他方案更優(yōu)，較 之其他方案不僅可獲得質(zhì)量更好的漿料，而且制漿效率

19、更高。CIC =( 4)I解得 C = 0. 068 0. 1，所以，C1 比較矩陣滿足一致性要求。同理，對比較矩陣 C2 ，C3 ，C4 ，C5 ，C6 ，C7 ，C8 ，B1 ，B2 ，A 分別進(jìn)行同樣的計(jì)算得出其權(quán)重向量和 C，各個(gè)比較矩陣的 C 值均小于0.26工藝方案關(guān)鍵的優(yōu)化1，以上比較矩陣均滿足一致性。由 B1 ，B2 的特征向量可知，在 B1 ，B2 下，各個(gè)評價(jià)指標(biāo)所占的權(quán)重，即得出影響漿料質(zhì)量和效率本文中提出的工藝方案的目的是現(xiàn)有技術(shù)的不足，提高制漿過程的自動化程度，這是新型工藝方案優(yōu)于其他方案的主要。由幾何AHP 法得的最主要因素。表 4 為采用平均評得出每個(gè)出在鋰離子電

20、池漿料過程中漿料質(zhì)量的主要影響因素為自動化程度、混合分散以及原材料預(yù)處理。因此，對混合分散和原材料預(yù)處理進(jìn)行表 4采用平均得出每個(gè)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重設(shè)計(jì)研究，從而對提出的工藝方案進(jìn)行優(yōu)化。評價(jià)指標(biāo)1)原材料預(yù)處理采用真空熱風(fēng)循環(huán)干燥的方CCCCCCCC12345678式，較現(xiàn)有的微波干燥有成本低、自動化程度高、無燒結(jié)現(xiàn)象等優(yōu)點(diǎn)。干燥罐的出料口處設(shè)計(jì)有分級環(huán)，滿足要求的粉體可在真空泵的作用下被吸入到 料斗，不滿足要求的粉體重新回到干燥罐進(jìn)行干燥，使得粉體干燥均勻，含水量低。i 0154 0107 00795 01155 01665 02 0045 01325由表 4 可得出，影響漿料質(zhì)量的主要因素為

21、自動化程度、混合分散以及原材料預(yù)處理。2)傳統(tǒng)的混合分散工序均在行星混合中25 總排序和一致性檢驗(yàn)完成，這種宏觀尺度的隨機(jī)性攪拌混合形式，不僅混合不徹底，而且混合時(shí)間長，混合效率低15。而現(xiàn)采用幾何的，其公式為對局部權(quán)重和指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行有的 S 分散上的混合，但是的分散效率很高，實(shí)現(xiàn)了微觀尺度應(yīng)用范圍比較局限的，本 制mwi =wcj( 5)ijj 1式中: ij 為備選方案 Di 在指標(biāo) Ci 下歸一化后的權(quán)漿系統(tǒng)將宏觀混合與微觀混合相結(jié)合，且對現(xiàn)有 的重值; cj 為指標(biāo)重值。在目標(biāo)層下歸一化后的權(quán)CiBiS進(jìn)行改進(jìn)，提出了新型的高速分散，同時(shí)高速分散均設(shè)有，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)生由表 5 得出每個(gè)方

22、案的最終權(quán)重，根據(jù)最終的權(quán)重排序選出合適的工藝過程。產(chǎn)，使得漿料分散質(zhì)量更好，應(yīng)用范圍更廣。圖真空連續(xù)漿料系統(tǒng)原理圖。4為http: / / journalseducn /第 4 期等: 鋰電池原材料預(yù)處理至涂布工藝方案設(shè)計(jì)509圖 4真空連續(xù)漿料系統(tǒng)原理圖3結(jié)束語makingmforconceptualdesigncandidatesevaluation J Computer Integrated ManufacturingSystems，2007，13( 8) : 1504 1510 ( in)5Saaty T L Group decision making and the AHPM/ /

23、 Golden B L，Wasil E A，Harker P T The Analytic Hierarchy Process: Applications and Studies Berlin Heidelberg: Springer，1989: 59 67Saaty T L Fundamentals of the analytic hierarchy processM/ /1)新型混料制漿方案在保證原材料質(zhì)量和制得漿料質(zhì)量的同時(shí)，使原材料預(yù)處理工藝、混料制漿工藝和涂布工藝密切的起來，形成了自動化生產(chǎn)線，6避免了動力電池生產(chǎn)過程中從原材料干燥工位向混料制漿工位、涂布工位的轉(zhuǎn)移過程中被二次污染且

24、Schmoldt D L，Kangas J，Mendoza G A， The AnalyticHierarchy Process in Natural esource and Environmental Decision Making Netherlands: Springer，2001: 15 35受污染程度無法電池生產(chǎn)的一致性。2) 運(yùn)用幾何的難題，可以提高動力7Saaty T L，Vargas L G Ms，methods，concepts applications of the analytic hierarchy processM Norwell: Springer，2001: 15

25、9 172Dong Q X，Saaty T L An analytic hierarchy process mof group consensusJ Journal of Systems Science and Systems Engineering，2014，23( 3) : 362 374AHP法得出在鋰離子電池漿8料過程中漿料質(zhì)量的主要影響因素為自動化程度、混合分散以及原材料預(yù)處理。新型工藝方9模糊 AHP 的無效性與基于幾何的 AHP研究D合肥: 合肥工業(yè)，2012案采用真空系統(tǒng)對漿料; 采用高速混料分散也了漿料的質(zhì)量。過程中的水分進(jìn)行嚴(yán)格，提高制漿效率的同時(shí)Zhu K Y The s

26、tudy on the invalidity of fuzzy AHP and a weighted geometric method of AHPD Hefei: HefeiUniversity of Technology，2012 ( in)10Xu Z On consistency of the weighted geometric mean complex judgement matrix in AHP J European Journal of Operational esearch，2000，126( 3) : 683 687 Nishizawa K，Takahashi I The

27、 weighted least squaremethod applied to the binary and ternary AHPM/ / Phillips Wren G， Jain L C， Nakamatsu K， etAdvances in Intelligent al Decision Heidelberg: Springer，2010: 91 100Torra V Derivation of priorities and weights for set valued matrices using the geometric mean approachJ Applied Artificial Intelligence，2015，29( 5) : 5003)真空連續(xù)工藝方案實(shí)現(xiàn)了鋰離子動力電池生產(chǎn)過程中從原材料預(yù)處理到涂布工藝的自動化生產(chǎn)。11參考文獻(xiàn) 我國體育教師評價(jià)體系研究中指標(biāo)權(quán)綜述J體育科技，2014，35( 1) : 117 1181重確定12Feng X G，Li Y Overview of researches on the methods t