锂电池原材料预处理至涂布

1、2018 年4 月机 械 科 学 与 技 术Mechanical Science and Technology for Aerospace EngineeringApril2018Vol37 No4第 37 卷 第 4 期DOI: 1013433 / j1003-872820180403锂电池原材料预处理至涂布工艺方案设计12111，*(300130)1 河北工业机械2 唐山学院 机电工程系，唐山063000摘要:为提高锂电池浆料的效率与质量，在现有工艺方案的基础上，设计了一种自动化程度较高的从锂离子动力电池原材料预处理工艺到涂布工艺的真空连续制浆工艺方案。并运用几何AHP法对应用比较广泛的三

2、种制浆工艺方案与设计的真空连续制浆工艺方案进行方案评价。结果表明: 影响浆料质量的关键因素分别是制浆系统自动化程度、混合分散工艺以及原材料预处理工艺; 该工艺方案与现有的工艺方案相比具有一定的优势。以几何AHP法的结论为依据，对真空连续制浆关键进行了设计研究，最终得出了真空连续浆料系统原理图。: 锂离子动力电池; 原材料预处理; 几何AHP 法; 真空连续制浆号: TH162文献标识码: A文章编号: 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浆料分散质量的好坏，直接影响到锂离子动力和制浆过程的效率主要由混料制浆工艺所决定的。现有工艺方案多为人工及半自动化生产，制得浆料质量差。应厂家要求，设计了一种自动化程度较高的工艺方案，与现在应用比较广泛的几种工艺方案进行方案评价，得出影响浆料质量的主要因素和比较合适的工艺方案，进而对较合适的工艺方案关键设备进行设计研究。的性

8、能，而浆料分散质量电池生产的质量及其收稿日期: 2017 02 27基金项目: 作者简介:市科技特派员项目( 14JCTPJC00532) 资助( 1991 )，及其，研究方向为机电，1429276539 qqcom成套通讯作者:*，教授，博士生导师，gyuming 163comhttp: / / journalseducn /机械科学与技 术第 37 卷506对于方案的评价有很多，主要高，制得浆料质量低，故设计了一种从锂离子动力电 池原材料预处理工艺到涂布工艺的真空连续制浆工 艺方案( 后称新型工艺方案) 。新型工艺方案浆料过程为: 将所有的原材料粉体置于真空干燥罐中进行干燥，干燥完成后通过

9、真空吸料机吸入到自 动计量罐中，将计量好的所有原材料粉体与溶剂一 起加入层次分析法、综合评分法、模糊评价法、指数法和功效系数法等等，各类均有其优缺点1。层次分析法( 简称 AHP 法) 是一种解决多目标的定性与定量相结合的决策分析2-3。本工艺方案的决策过程是一个多目标、多准则，且无法进行准确计量的复杂，因此选用AHP 法对混料的工艺方案进行评价。有学者到混合中进行预混合，搅拌一间后， 再将预认为AHP 法性强、所构建的矩阵一致性差、混合后的浆料注入混合分散中，真空搅 拌一间，脱泡过滤制得浆料( D2 ) 。图 1 为真空连续制浆工艺路线图。逆序，他们提出模糊 AHP 法4，即把模糊理论与 A

10、HP 法相结合。，层次分析法创始人Satty5-8等指出AHP 法在使用 1 9 标准尺度建立判断矩阵时没有精确化，模糊 AHP 对其进行模糊化是没有意义的，而且模糊AHP法改变了矩阵的构建，不再符合 AHP 法的基本原理。文献9-12中提出一种几何AHP法，该方法满足严格的一致性和性要求，可以在某种程度上解决经典AHP法的。实明，几何法和模糊AHP法计算权重结果相对经典AHPAHP法更优。因此，本文中运用几何AHP法对锂离子动力电池制浆的工艺方案进行评价，根据分权重确定影响浆料质量的关键因素，根据综合权重确定各个方案的优劣顺序，从而选出合适的工艺方案并根据关键因素对主要进行设计研究。图 1

11、真空连续制浆工艺路线图1工艺方案实现该工艺方案的改变:主要在以下几点进行了1. 1现有工艺方案将制浆工艺过程进行了归纳总结，得出了三种应1)料斗底部的挡料阀为带有配重块的活动门，料斗内的物料达到设定的重量时，活动门翻转，使物料排出料斗，从而实现了自动称量14。该过程实现了用比较广泛的工艺方案。具体浆料的过程如下:1)将所有经过烘干后的原材料粉体分别进行称原材料预处理工艺与称量工艺的2) 首先将全部原材料加入到混合。量，然后将其逐步加入到行星混合中，同时向其中进行中加入所需分散溶剂总量的 50% 70%左右进行混合分散，在搅拌过程中将剩余的溶剂继续逐步添加，预混合，搅拌一间后使其分散混合均匀，再

12、将预混合后的浆料通入到混合分散中，真空搅拌一段实时调整浆料粘度直至其各参数达到预期( D1 )。时间，脱泡过滤制得浆料，再将浆料通过真空泵输送至涂料机，实现了从混料制浆工艺至涂布工艺的一体化。2)将适量溶剂和经过烘干后的适量粘结剂同时加入行星混合中，高速搅拌一间，制得胶体，同时继续向行星混合中逐次加入导电剂和活性材料粉体，采用分段搅拌的工艺过程，制得导电2运用几何AHP 法评价制浆工胶，最终制得浆料13( D ) 。3将烘干后的导电剂与活性材料粉体进行称艺方案3)量，定量的放入研磨中使二者均匀混合分散，同21 制浆工艺方案评价体系的建立首先确定影响浆料质量和制浆效率的各个指标，并据此建立合理有

13、效的评价体系，运用几何AHP 法确定混料工艺方案流程图，如图 2 所示。时向行星混合中加入适量的溶剂和粘结剂，搅拌制胶。向制得胶体中分步加入混合均匀的固体粉末，实时测量浆料粘度，直至达到所需要求( D4 )12 新型工艺方案。因现有工艺方案自动化程度较低，制浆效率不http: / / journalseducn /第 4 期等: 锂电池原材料预处理至涂布工艺方案设计507请对矩阵进行打分，并使用几单元的打分进行均值尺度之值的反法对来自单一采用四舍五入的投影于1 9基本中。如果值在( 1 /9 1) 之间，则对采用四舍五入法并投影于基本求反，从而得到最终结果9。表本尺度。尺度，然后再1为1 9基

14、表 1 1 9 标度说明 标度说明13579X 和 Y 同等重要X 比 Y 稍微重要X 比 Y 明显重要X 比Y 重要很多X 比Y 绝对重要 2、4、6、8两相邻标度的中间值矩阵如表 2 和表 3 所分目标层下的两两示。并用同样得到评价指标下的两两矩阵和总目标层下的两两矩阵。图 2 混料工艺方案流程图表 2B1 分目标层下的两两矩阵22建立层次评价体系在进行锂电池混料工艺方案选择时，要考虑到以C1C2C3C4C5C6C1 C211/21/31/31/21/2211/21/21/21/23211/21/21/23221222221/2112221/211下 4 点:1)原材料经干燥后，要尽量避免

15、在大气环境中;2)混料工艺过程容易操作;3)减少C3人工参与度，尽可能提升自动化程度;的过程效率高，制得的浆料质量好。4)搅拌浆料C4C5 C6找到影响锂离子电池混料制浆过程中的各种影响因素指标，建立层次评价体系，如图 3 所示。表 3B2 分目标层下的两两矩阵C4C5C6C7C8C411/21/231/2C5211/221C622121C71/31/21/211/3C82113124 确定评价体系各层指标的权重为了得到评价体系中各指标的权重，需对求解。分别得出第四层( D 层)图 3比较矩层次评价体系图方案层在每个指标下的权重向量、第二层( B 层) 分目标层对第一层( A 层) 总目标层的

16、权重向量以及第三层( C 层) 的指标层对第二层( B 层) 分目标层的23构造矩阵在评价指标体系阶递层次结构合理的条件下，为了得到各评价指标对总体性能的影响程度，采用专权重向量。进一步求出每个比较矩阵的最大特家群体建立矩阵。矩阵9。采用两两比较构造征值，对比较矩阵进行一致性检验。因比较判断矩阵过多，故以第一个矩阵进行计算举例，其他矩http: / / journalseducn /机 械 科 学 与 技 术第 37 卷508阵用同样得出权重向量，并用同样行一致性检验。经检验后，表中的表 5 第一层与第二层的计算矩阵分别进矩阵均满足Ai排序B1B2一致性。矩阵 C1 的计算过程如下: 将比较矩

17、阵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)对计算矩阵进行总一致性检验，将最终得到的k 1 j 1得出比较矩阵 C1 的权重向量=C1计算值与0. 1进行比较，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，代入一致性检验公式，即:通过上述公式计算可得 C = 0. 02790. 1，C =max n0. 010. 1，C = 0. 09 0. 1均能通过一致性检验。CI =( 3)n 1因此，计算出的最终权重是合理的。由表 5 得出每个方案的最终权重，根据最终的权重排序选出合适 的工艺过程，新型的方案二所占权重最大为 0. 345， 故综合所有影响因素，方案二相对其他方案更优，较 之其他方案不仅可获得质量更好的浆料，而且制浆效率

19、更高。CIC =( 4)I解得 C = 0. 068 0. 1，所以，C1 比较矩阵满足一致性要求。同理，对比较矩阵 C2 ，C3 ，C4 ，C5 ，C6 ，C7 ，C8 ，B1 ，B2 ，A 分别进行同样的计算得出其权重向量和 C，各个比较矩阵的 C 值均小于0.26工艺方案关键的优化1，以上比较矩阵均满足一致性。由 B1 ，B2 的特征向量可知，在 B1 ，B2 下，各个评价指标所占的权重，即得出影响浆料质量和效率本文中提出的工艺方案的目的是现有技术的不足，提高制浆过程的自动化程度，这是新型工艺方案优于其他方案的主要。由几何AHP 法得的最主要因素。表 4 为采用平均评得出每个出在锂离子电

20、池浆料过程中浆料质量的主要影响因素为自动化程度、混合分散以及原材料预处理。因此，对混合分散和原材料预处理进行表 4采用平均得出每个评价指标的权重设计研究，从而对提出的工艺方案进行优化。评价指标1)原材料预处理采用真空热风循环干燥的方CCCCCCCC12345678式，较现有的微波干燥有成本低、自动化程度高、无烧结现象等优点。干燥罐的出料口处设计有分级环，满足要求的粉体可在真空泵的作用下被吸入到 料斗，不满足要求的粉体重新回到干燥罐进行干燥，使得粉体干燥均匀，含水量低。i 0154 0107 00795 01155 01665 02 0045 01325由表 4 可得出，影响浆料质量的主要因素为

21、自动化程度、混合分散以及原材料预处理。2)传统的混合分散工序均在行星混合中25 总排序和一致性检验完成，这种宏观尺度的随机性搅拌混合形式，不仅混合不彻底，而且混合时间长，混合效率低15。而现采用几何的，其公式为对局部权重和指标权重进行有的 S 分散上的混合，但是的分散效率很高，实现了微观尺度应用范围比较局限的，本 制mwi =wcj( 5)ijj 1式中: ij 为备选方案 Di 在指标 Ci 下归一化后的权浆系统将宏观混合与微观混合相结合，且对现有 的重值; cj 为指标重值。在目标层下归一化后的权CiBiS进行改进，提出了新型的高速分散，同时高速分散均设有，实现了连续生由表 5 得出每个方

22、案的最终权重，根据最终的权重排序选出合适的工艺过程。产，使得浆料分散质量更好，应用范围更广。图真空连续浆料系统原理图。4为http: / / journalseducn /第 4 期等: 锂电池原材料预处理至涂布工艺方案设计509图 4真空连续浆料系统原理图3结束语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)新型混料制浆方案在保证原材料质量和制得浆料质量的同时，使原材料预处理工艺、混料制浆工艺和涂布工艺密切的起来，形成了自动化生产线，6避免了动力电池生产过程中从原材料干燥工位向混料制浆工位、涂布工位的转移过程中被二次污染且

24、Schmoldt D L，Kangas J，Mendoza G A， The AnalyticHierarchy Process in Natural esource and Environmental Decision Making Netherlands: Springer，2001: 15 35受污染程度无法电池生产的一致性。2) 运用几何的难题，可以提高动力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法得出在锂离子电池浆8料过程中浆料质量的主要影响因素为自动化程度、混合分散以及原材料预处理。新型工艺方9模糊 AHP 的无效性与基于几何的 AHP研究D合肥: 合肥工业，2012案采用真空系统对浆料; 采用高速混料分散也了浆料的质量。过程中的水分进行严格，提高制浆效率的同时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)真空连续工艺方案实现了锂离子动力电池生产过程中从原材料预处理到涂布工艺的自动化生产。11参考文献 我国体育教师评价体系研究中指标权综述J体育科技，2014，35( 1) : 117 1181重确定12Feng X G，Li Y Overview of researches on the methods t