CFD model of slot die coating for lithium-ion battery electrodes in 2D and 3D with load balanced dynamic mesh refinement enabled with a local-slip boundary condition in OpenFOAM

材料科学 计算流体力学 涂层 边值问题 机械工程 打滑(空气动力学) 计算机科学 模拟 机械 复合材料 工程类 数学分析 物理 数学 航空航天工程
作者
Alexander Hoffmann,S. Spiegel,Thilo Heckmann,Philip Scharfer,Wilhelm Schabel
出处
期刊:Journal of Coatings Technology and Research [Springer Science+Business Media]
卷期号:20 (1): 3-14 被引量:6
标识
DOI:10.1007/s11998-022-00660-8
摘要

Abstract Slot die coating is a state-of-the-art process to manufacture lithium-ion battery electrodes with high accuracy and reproducibility, covering a wide range of process conditions and material systems. Common approaches to predict process windows are one-dimensional calculations with a limited expressiveness. A more detailed analysis can be performed using CFD simulations, which are often based on in-house code or closed-source software. In this study, a two-phase CFD model in two and three dimensions was created in OpenFOAM with the intent to provide a method for more detailed investigations of the slot die coating process with open access to source code and files. A custom boundary condition enables the proper description of the wetting behavior in the two-dimensional model. The combination of standard no-slip boundary conditions at the substrate boundary with the volume-of-fluid solution algorithm leads to a method-related air entrainment, which was prevented by allowing local slip at the dynamic wetting line at the upstream meniscus in the two-dimensional model. Additionally, a load-balancing dynamic refinement algorithm was implemented to minimize the computational effort and increase the ease of use of the simulation environment. The simulation was validated by comparing the simulated process limits to experimental observations, showing good agreement. As a result, this model enables detailed analyses regarding the influences of slot die geometries, material properties, and process parameters on the coating stability and wet-film profile.
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