1、第 12 卷 第 7 期2023 年 7 月Vol.12 No.7Jul.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology基于相场模型的锂电池电极浆料稳定涂布窗口分析陈育新1，杨家沐1，练成1,2，刘洪来1,2（1华东理工大学化工学院，化学工程联合国家重点实验室，2华东理工大学化学与分子工程学院，上海 200237）摘要：极片涂布是锂离子电池极片制造的关键工艺之一，涂布质量决定了极片结构的均匀度，进而影响电池的性能和寿命。针对电极浆料涂布质量控制问题，选取狭缝涂布模头和集流体组成的局部区域为研究对象，建立了相场-流场耦合的多物理场模型。基于该模型
2、模拟了电极浆料的流动以及电极涂层形成，并根据涂布质量确定了稳定的涂布窗口，通过与实验结果的对比验证了仿真模型的可靠性。以拓宽涂布窗口、实现高速稳定涂布为目标对涂布模头的主要尺寸进行优化。结果表明，浆料流量过大或过小将导致气泡混入或上游溢出，涂布过程无法达到稳定；模头的主要几何尺寸对稳定涂布窗口有一定影响，但仅通过对其简单增减无法将涂布窗口拓宽；对上游模头、下游模头进行非对称式调整，改变上下游流动阻力的相对大小，可以将浆料流量上限提高约40%。通过数值模拟对狭缝涂布过程中的浆料流动进行了分析，为锂电池电极浆料涂布工艺参数的优化提供了参考。关键词：锂离子电池；制造工艺；电极浆料；狭缝涂布；数值模拟
3、doi：10.19799/ki.2095-4239.2023.0300 中图分类号：TQ 024.1 文献标志码：A 文章编号：2095-4239（2023）07-2185-09Analysis of stable coating window of lithium battery electrode paste based on phase field modelsCHEN Yuxin1,YANG Jiamu1,LIAN Cheng1,2,LIU Honglai1,2(1State Key Laboratory of Chemical Engineering,School of Chemic
4、al Engineering,East China University of Science and Technology,2School of Chemistry and Molecular Engineering,East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,China)Abstract:Electrode coating is one of the key processes in the manufacturing of lithium-ion battery electrodes.The coatin
5、g quality determines the uniformity of the electrode structure,which in turn affects the performance and lifespan of the battery.In response to the quality control problem of electrode slurry slot die coating,this study selects a local area composed of the slot die and the fluid collector as the res
6、earch object and establishes a multiphysics field model coupled with phase field and flow field.Based on this model,the slurry flow during the slit coating process was analyzed through numerical simulation,providing a reference for optimizing the coating process parameters of lithium battery electro
7、de slurry.Similarly,a stable coating window was determined based on the coating quality.The reliability of the simulation model was verified by comparing it with experimental results.We optimized the main dimensions 储能锂离子电池系统关键技术专刊收稿日期：2023-04-29；修改稿日期：2023-06-21。基金项目：国家自然科学基金（22278127），中央高校基本科研业务费专
8、项（2022ZFJH004）。第一作者：陈育新（1996），男，博士研究生，研究方向为锂离子电池极片制造工艺，E-mail：；通讯作者：练成，教授，研究方向为电池材料设计与工艺仿真，E-mail：。引用本文：陈育新,杨家沐,练成,等.基于相场模型的锂电池电极浆料稳定涂布窗口分析J.储能科学与技术,2023,12(7):2185-2193.Citation：CHEN Yuxin,YANG Jiamu,LIAN Cheng,et al.Analysis of stable coating window of lithium battery electrode paste based on phas
9、e field modelsJ.Energy Storage Science and Technology,2023,12(7):2185-2193.2023 年第 12 卷储能科学与技术of the coating die with the goal of expanding the coating window and achieving high-speed and stable coating.The results indicated that excessive or insufficient slurry flow rate will cause bubbles to mix i
10、n or overflow upstream,making the coating process unstable.The main geometric dimensions of the slot die had a specific impact on the stable coating window;however,simply increasing or decreasing the geometric dimensions cannot broaden the coating window.Asymmetric adjustment of the upstream and dow
11、nstream die heads could increase the upper limit of slurry flow by 40%by changing the relative magnitude of upstream and downstream flow resistance.Keywords:lithium ion battery;manufacturing process;electrode slurry;slot die coating;numerical simulation作为新能源领域的代表器件之一，锂离子电池因其高能量密度、长循环寿命和高工作电压等优势被广泛应用
12、于电动汽车、大规模储能等领域1-4。随着生产力的快速发展，锂离子电池的需求量与日俱增，如何提高生产效率及良品率成为了近年来的重要议题。极片的制造是锂离子电池生产流程中的核心部分，相对于静电喷涂沉积、辊磨等新工艺，狭缝涂布具有稳定可控、便于大规模生产等优点，仍然是制造锂电池极片的主流工艺5-8。然而，当涂布速度过快时电极表面会形成条纹、斑点、波浪等缺陷。缺陷的存在不仅使电池性能降低，严重时还会导致安全事故9-10。电极涂层缺陷的成因分为两类，分别为不合理的工艺参数组合以及其他偶然因素。其中，前者造成的缺陷范围更大，可能导致良品率的大幅下降。因此，狭缝涂布工艺参数的组合优化对于提高锂电池产率、降低
13、综合成本有重要意义。在实际工业生产中，涂布机的宽度能够达到1 m以上，通过生产测试对涂布工艺参数进行调整将耗费大量的物料及时间成本7。采用模拟仿真对电极浆料的狭缝涂布过程进行研究是理想的选择。狭缝涂布过程主要分为两个阶段，电极浆料首先经由外部管道和模头内部流道输送至出口处，然后与集流体发生接触，流经模唇并在模头外部的开放空间中自由流动形成电极涂层。对于模头内部流道的研究通常以提高浆料流动的均匀性为目标，目前已有较多研究11-12。电极浆料与集流体接触后，首先在滚动的集流体和固定的模头之间形成剪切流，随后离开模头自由流动，这一过程直接决定了电极涂层的结构。因此，本文假设浆料在到达模头出口附近时稳
14、定流动，研究后续的电极涂层形成过程。Akbarzadeh等13研究了电极颗粒、浆料溶剂以及模头边界之间的相互作用，结果表明在涂布过程中电极颗粒的移动路线与浆料的流线高度重叠，并且在低流速区域内相互吸引产生团聚，导致电极颗粒分布得不均匀。因此，流体的流动情况可以体现电极颗粒的行为，保证强度适中的流动是形成稳定涂层的关键。相对于显式粒子模型，将颗粒与溶剂视为整体流体的连续介质模型能够在体现流体主要行为的同时大幅降低计算成本14-17。Ahn等18和Bhamidipati等19分别采用牛顿流体和剪切稀化的非牛顿流体进行了狭缝涂布的实验，并采用相场-流场耦合的模型进行了数值模拟，模拟结果与实验高度一致
15、，表明此类模型具有良好的可靠性。Pan等20模拟了电极浆料的狭缝涂布过程，分析了上游模头区域、下游模头区域、自由流动区域中电极浆料流动类型的差异，提出了泊肃叶流-库埃特流-气泡流(Poiseuille-Couette-bubbly flow)的流型转化机制，为寻找稳定涂布窗口提供了理论依据。Malakhov等21将涂布速度、黏度、表面张力、模头高度以及涂层膜厚进行了无量纲化，构建了低流量限制模型，预测了在特定浆料性质和模头形状下能够实现的最小无缺陷膜厚，与实验结果对比验证了其有效性。在上述研究中，没有对模头主要尺寸与稳定涂布窗口之间的关联进行系统性分析，研究结果难以直接为工业生产中涂布工艺参数
16、优化提供借鉴。针对上述问题，本工作基于相场-流场耦合的多物理场模型，对狭缝涂布过程中电极浆料的流动以及电极涂层的形成进行了研究。分别对狭缝宽度、模唇宽度、模头高度3个模头主要尺寸对稳定涂布窗口的影响进行了分析，并进一步设计了非对称式涂布模头。结果表明，适当增大上游阻力、减小下游阻力对于拓宽稳定涂布窗口是有利的。2186第 7 期陈育新等：基于相场模型的锂电池电极浆料稳定涂布窗口分析1 数值模拟1.1模型描述图 1(a)展示了锂电池电极浆料的狭缝涂布过程，选取图中方框内部分，即涂布模头出口与集流体平面组成的局部空间作为研究体系。本工作关注于操作参数(如涂布速度、进料速度等)改变导致的涂层结构变化，以及涂布模头结构带来的影响。通常情况下，模头宽度为1001000 mm，远大于仅有0.11 mm的狭缝宽度及模头高度，可以将其视为无限长。相对于模头宽度方向上浆料流动存在的细微差距，固定的模头与匀速移动的集流体之间形成的不同类型的剪切流直接决定了浆料涂层的结构。因此，采用如图1(b)所示的二维模型进行研究。在文章中如未加说明，狭缝宽度W=0.5 mm，模唇长度 L=1.0 mm，模头距离集流体的
