锂电池装配工艺仿真与实验探究

能源和环境问题是21世纪人类面临的两大难题,它们严重制约着人类的生存和社会的可持续发展。这已不仅是科研人员关注的科学问题,更是全社会关心和支持的民生话题。推动新能源材料的开发、新能源产品制备装配技术不断发展成为解决这一困境的有效手段。其中,锂离子电池产业的发展最为突出。以新能源汽车为例,新能源汽车产业是全球汽车产业的发展方向,也是我国重要的新兴战略产业之一,未来10年将迎来全球汽车产业向新能源汽车转型和升级的战略机遇。新能源汽车主要包括纯电动汽车、插电式混合动力汽车及燃料电池汽车。其中,纯电动汽车完全使用动力电池驱动,对电池容量要求可达到30kW·h的平均容量水平。而自2010年起,动力类锂离子电池更是受益于技术提升和成本降低的巨大推动作用,逐渐替代镍镉、镍氢电池,成为新能源汽车广泛使用的动力电池。同时,随着全球4G移动通讯技术、互联网、数字化娱乐便携设备应用的逐步普及,手机、笔记本电脑、平板电脑、游戏机、可穿戴式智能设备、移动电源等数码类电子产品领域的需求也保持了持续的增长,而智能手机已成为锂离子电池最大的应用领域。此外,在规模储能领域,我国储能型锂离子电池市场应用总体呈增长趋势,并将有望成为锂电池新增需求的重要来源。航空航天、船舶舰艇等领域也对锂离子电池提出了更高能量密度和功率密度的要求,其应用前景非常广阔。锂电池制造已成为机械制造的重要分支。因此,将锂电池引入教学工作显得尤为重要。

软包锂电池由电芯及聚合物外壳组成,是锂离子电池常见的封装形式之一,具有重量轻、不易爆炸、循环次数多、能量密度高等优点,广泛应用于智能手机、平板电脑、新能源汽车等领域。目前,使用软包锂电池的新能源汽车,续航里程已可达600km,有效缩短了与燃油车的差距。同时,借助石墨烯等新能源材料在软包锂电池中的应用,已可实现充电时间从数小时缩短至不到一分钟,带来了电池与新能源产业的革新。软包锂电池具有可同时满足实践和科学探究的优势,非常适合作为机械制造实习、材料类课程的实验对象。

清华大学锂电池装配教学,是新能源领域的前沿技术向示范性教学转变的一次探索。实验选择软包锂电池作为对象,教学有两个特点:(1)软包锂电池制备的真实性。软包锂电池生产线,按照中试生产规模购置。电池生产流程与工厂电池制备流程一致,保证了学生可以近距离、真实了解软包锂电池的生产过程。(2)软包锂电池的制备可以与新能源材料和新技术的引进相结合,鼓励学生提出自己的理解、大胆创新。然而,软包锂电池装配的教学工作也存在以下问题:(1)软包锂电池的制备过程包括涂极片、电芯组装、注液、化成、性能测试等十余道工序,影响电池性能的工艺参数多达上百余个。由于装配过程复杂,在现场实验中,难以保证学生对相关流程的有效掌握,存在操作不当所带来的安全和设备损坏风险,以及耗材损耗严重等问题。(2)软包锂电池的制备过程对耗材的使用量大,且成本较高。如果不能准确掌握软包锂电池的制备工序,会直接影响最终产品的性能,造成不必要的浪费。(3)新能源材料和新技术的引进有助于进一步提高软包锂电池的性能,其效果的实现需要反复的实验、数据记录及验证,实际应用的成本昂贵。因而,借助虚拟仿真教学系统,学生可以掌握软包锂电池装配及设备操作流程,学习相关知识点,开放探究思考;在此基础上开展实操,并在系统中记录现场实验数据,形成虚拟仿真及现场实训相结合的教学模式。

为了帮助学生认知软包锂电池的生产流程及设备操作规范。我们选择深圳科晶软包电池制备设备,包括行星式搅拌机、自动涂布机、三辊机、切片机、卷绕机、铝塑膜成型机、化成机等。同时,通过虚拟仿真技术,开发了设备的3D实景图,便于学生可以在线操作设备。该系统共分为实验总览、步骤介绍、操作步骤、实验记录、探究单元、考核评价六大模块。在实验总览中,学生能够自主学习锂电池的相关背景与理论知识、系统了解实验内容,三维交互式地浏览整个实验场景和设备。学生还可以进一步认知每个实验设备,通过交互式点选,了解相关按钮和界面的操作。实验步骤介绍中,针对每步工序,系统提供了操作全流程的仿真动画、相关描述与说明,辅助学生建立对该步工序的系统认知。交互式操作是整个虚拟仿真系统的核心内容。通过三维交互界面,学生按照正确的操作步骤选择操作部件、实验原料,在仿真环境中完成整个实验,系统在后台实现对学生操作情况的记录。探究单元模块采用启发式教学,引导并鼓励学生,就如何通过石墨烯等新材料的开发、新技术的引用,进一步提高电池性能等主题进行开放式思考。

面向高校的教学推广应用计划:
本项目可以为机械、材料等相关专业课程提供实验支持,也可为基础应用研究、科研前期培训及中试化实践提供服务。

面向社会的推广与持续服务计划:
本实验项目具有自主知识产权,通过网站向全社会开放,高校和应用单位都能够访问到本课程的教学课件和教学资源,从而在本地开展实验教学。

目前本项目正在申报“2018年度国家虚拟仿真实验教学项目”,公示有效期(2018年11月10日至12月10日),欢迎大家试用并提出宝贵意见和建议。网址如下http://shenbao.ilab-x.com/details/v3?id=2705&prev=1

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