电极浆料涂布模头流场分析与结构优化

涂布工艺是锂电池极片制造过程的关键工序之一,涂层的稳定性和厚度一致性决定了极片的结构,进而影响电池的性能和循环寿命。大尺寸动力锂电池产品对涂布幅宽提出更高的要求,保证涂布模头出口处电极浆料的流动均匀性成为核心技术问题之一。因此,对涂布模头的流道结构进行合理优化显得尤为重要。本研究针对宽幅涂布模头出口速度分布不均的问题,构建了不同尺寸和结构的模头流道模型进行流场仿真,分析电极浆料在模头内部的流动特性,并采用Box-Behnken设计对衣架式模头的结构尺寸进行优化。具有倾斜变径式匀料腔结构的衣架式模头对浆料有更强的引流效果,有助于提升幅宽方向浆料流动的均匀性。采用Box-Behnken设计对衣架式模头的主要结构参数进行优化,使浆料的均匀性提升至0.99。

基于相场模型的锂电池电极浆料稳定涂布窗口分析

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。

圆柱形锂离子电池真空干燥过程的数值模拟

极片中的水分对锂离子电池的性能和安全有重要影响,在生产中需要通过真空干燥对其进行严格控制。目前对于真空干燥工艺的研究以实验为主,消耗了大量的能源、材料以及人力资源,且耗时较长。针对以上问题,以18650电池为研究对象,建立了扩散-流动-热传导-气液传质耦合的二维旋转模型,准确预测了真空干燥过程中电芯含水率的变化。结果表明,过程中电芯不同位置的温度、水蒸气分压、含水率较为均匀,采用均质的零维模型同样能得到准确结果;电芯材料的颗粒尺寸、孔隙率、初始含水率对水分蒸发速率有显著影响,达到相同干燥程度所需的时间相差数个小时;平衡含水率取决于温度和空气湿度,二者是影响最终含水率的主要因素;提高电芯的温度或降低烘箱的出口压力均可提高真空干燥的效率,获得更低含水率的电芯产品;以更快的速度加热电芯,更早进入真空阶段可以显著提升前期的干燥效率;在进入真空阶段后以一定频率对烘箱进行换气可以降低电芯中水蒸气分压,进而提升干燥速率,既能降低最终含水率,也可节约时间成本。本工作提出的预测模型可以快速、便捷地研究各工艺参数的影响,在锂离子电池真空干燥工艺参数优化方面具有应用价值。