鋰離子電池是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，電池性能好壞受到原材料，電池設(shè)計(jì)，制造設(shè)備與工藝，環(huán)境等眾多因素影響，任何一點(diǎn)缺陷都可能導(dǎo)致電池產(chǎn)品的崩塌。其中，鋰離子電池制造工藝比較復(fù)雜，重要生產(chǎn)工藝流程涵蓋三個(gè)部分：前段極片制造，中段電芯的組裝，后段電芯的活化充放電測試。而前段極片制造工藝。鋰離子電池前端工藝的結(jié)果是將鋰離子電池正負(fù)極片制備完成，其第一道工序是攪拌，即將正、負(fù)極固態(tài)電池材料混合均勻后加入溶劑，通過真空攪拌機(jī)攪拌成漿狀。配料的攪拌是鋰電后續(xù)工藝的基礎(chǔ)，高質(zhì)量攪拌是后續(xù)涂布、輥壓工藝高質(zhì)量完成的基礎(chǔ)，而每一步工藝又包含大量的工藝參數(shù)，鋰離子電池的制造過程都會(huì)直接或間接影響到電池的安全性能和電化學(xué)性能。其中正負(fù)極漿料配置控制、涂布質(zhì)量控制和干燥、壓片與切片對電池性能影響最為明顯，對最終的電池性能具有決定性的影響。開發(fā)一套成熟的工藝流程是生產(chǎn)高質(zhì)量電池的基礎(chǔ)，卻要消耗大量人力物力。

而計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真模擬為鋰離子電池制造工藝的開發(fā)供應(yīng)了便利，采用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)能夠有效研究電池的制造工藝過程，大大縮短開發(fā)周期，目前越來越受到大家的重視。圖2是鋰離子電池工藝參數(shù)-微結(jié)構(gòu)特點(diǎn)-電池模型參數(shù)-性能關(guān)系的計(jì)算機(jī)模擬研究總體思路，極片制造工藝鏈的模擬根據(jù)根據(jù)工藝參數(shù)推斷出極片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)參數(shù)，而這些極片結(jié)構(gòu)特點(diǎn)參數(shù)又和電池電化學(xué)模型的參數(shù)直接相關(guān)，根據(jù)電池模型參數(shù)采用偽二維電化學(xué)模型可以建立模型參數(shù)與電池性能之間的關(guān)系。最終，計(jì)算機(jī)模擬方法直接建立了工藝參數(shù)-微結(jié)構(gòu)特點(diǎn)-電池模型參數(shù)-性能直接的關(guān)系。為鋰離子電池的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝開發(fā)、性能測試供應(yīng)有效的指導(dǎo)。

漿料制備是鋰離子電池生產(chǎn)的第一道工藝，混料工藝在鋰離子電池的整個(gè)生產(chǎn)工藝中對產(chǎn)品的品質(zhì)影響度大于30%，是整個(gè)生產(chǎn)工藝中最重要的環(huán)節(jié)。鋰離子電池漿料是由電活性物質(zhì)，導(dǎo)電劑等固體顆粒分散在粘結(jié)劑溶液形成的，涂布時(shí)活物質(zhì)和導(dǎo)電劑及其他固態(tài)成分應(yīng)該以微小的顆粒均勻分散在溶劑中。攪拌過程是在流動(dòng)場中進(jìn)行動(dòng)量傳遞的過程，而攪拌器就是通過使攪拌介質(zhì)獲得適宜的流動(dòng)場而向其輸入機(jī)械能量的裝置。因此，選擇何種攪拌方式和攪拌器以及多大的能量使攪拌器供應(yīng)什么樣的流動(dòng)場，并使流體在流動(dòng)場中出現(xiàn)合適的循環(huán)流量、湍流程度或剪切速度,目的是最終獲得優(yōu)效的均勻一致的產(chǎn)品。

高粘度液體攪拌的首要問題就是要解決流體流動(dòng)與循環(huán)問題。在這種情況下，不能靠增大攪拌轉(zhuǎn)速提高攪拌器的循環(huán)流量,因?yàn)楦哒扯葧r(shí)攪拌器的排出量很小，轉(zhuǎn)速過高還會(huì)在高粘液中形成溝流，而周圍液體仍為死區(qū)，重要的辦法是設(shè)法使槳葉推動(dòng)更大范圍的液體。行星攪拌裝置是利用一對行星齒輪出現(xiàn)公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)，由一個(gè)動(dòng)力源帶動(dòng)攪拌軸系沿料桶圓周方向公轉(zhuǎn)而攪拌框自轉(zhuǎn)，另外行星軸空心結(jié)構(gòu)，在其中設(shè)置高速分散盤動(dòng)力源，通過機(jī)械傳動(dòng)使高速分散盤也沿圓周方向公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)。

電池漿料的攪拌過程可以采用流體力學(xué)方法進(jìn)行模擬，圖3是流體力學(xué)模擬攪拌過程實(shí)例，細(xì)節(jié)見參考文獻(xiàn)《MixinganalysisofaNewtonianfluidina3Dplanetarypinmixer》。

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涂布過程是生產(chǎn)鋰離子電池極片的關(guān)鍵工序之一，涂布質(zhì)量的好壞很大程度決定了鋰離子電池的容量、電壓等重要參數(shù)。在新產(chǎn)品開發(fā)和產(chǎn)品制造過程中，計(jì)算機(jī)模擬發(fā)揮著越來越重要的用途。通過建立2D或3D模型，對涂布過程進(jìn)行仿真，掌握涂布規(guī)律，能夠可視化涂布工藝，縮短工藝開發(fā)時(shí)間。具體的涂布模擬包括：擠出模頭內(nèi)部流場流動(dòng)過程、漿料在上料系統(tǒng)中的流動(dòng)過程、涂布過程濕涂層的形成、優(yōu)化模頭結(jié)構(gòu)、涂布機(jī)理研究、改善涂布工藝以及確定涂布窗口等。根據(jù)流體力學(xué)理論，通過對涂布過程的流場的受力情況和流場表征參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，我們可以初步判定流場的基本特性，理解涂布過程的現(xiàn)象，及涂布缺陷的出現(xiàn)原因。流體力學(xué)有限元分析可以直觀看到流體的流動(dòng)狀態(tài)，更形象地理解涂布流動(dòng)過程。圖4是鋰離子電池狹縫擠出涂布流體力學(xué)有限元模擬實(shí)例，細(xì)節(jié)見《鋰離子電池漿料狹縫式涂布初期流場模擬研究》和《擠壓涂布初期流場模擬動(dòng)畫》。

電池漿料制備后涂敷在集流體金屬箔上，再進(jìn)行干燥。在極片干燥過程中，溶劑蒸發(fā)時(shí)，涂層總會(huì)經(jīng)歷一定的收縮，固體物質(zhì)在濕涂層中彼此接近，最后形成多孔的干燥電極結(jié)構(gòu)。在涂層收縮和溶劑蒸發(fā)過程中，粘結(jié)劑、導(dǎo)電劑等添加劑容易隨著溶劑蒸發(fā)而發(fā)生遷移，在多孔電極中重新分配，出現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象。圖5是極片干燥溶劑蒸發(fā)過程模擬實(shí)例，詳細(xì)介紹見《如何解決PVDF粘接劑烘干過程中向電極表面富集的問題？》

圖5極片干燥溶劑蒸發(fā)過程模擬

極片經(jīng)過壓實(shí)之后，涂層孔隙率由初始值εc,0變?yōu)?amp;epsilon;c。鋰離子電池極片的壓實(shí)過程也遵循粉末冶金領(lǐng)域的指數(shù)公式（1），這揭示了涂層密度或孔隙率與壓實(shí)載荷之間的關(guān)系，如圖6所示。

（1）

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標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測繪、無人設(shè)備

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其中，ρc,0是涂層密度初始值，ρc是壓實(shí)后涂層的密度。qL為用途在極片上的線載荷，可由式（2）計(jì)算：

qL=FN/WC（2）

FN為用途在極片上的軋制力，WC為極片涂層的寬度。ρc,max和γC可以通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到，分別表示某工藝條件下涂層能夠達(dá)到的最大壓實(shí)密度以及涂層壓實(shí)阻抗。將壓實(shí)密度轉(zhuǎn)化成孔隙率，指數(shù)公式（1）轉(zhuǎn)變?yōu)楣剑?）：

（3）

依據(jù)以上壓實(shí)工藝模型，建立了輥壓線載荷等工藝參數(shù)，極片特點(diǎn)，如面密度、活性物質(zhì)種類、粒徑分布等對極片的壓實(shí)后微結(jié)構(gòu)的關(guān)系。輥壓工藝模型詳細(xì)介紹見《鋰離子電池極片輥壓工藝基礎(chǔ)解析》和《鋰離子電池極片壓實(shí)工藝模型：考察活性物質(zhì)和面密度對孔隙率的影響》。

鋰離子電池極片微結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與電化學(xué)性能之間的關(guān)系可以通過電化學(xué)模擬來建立。鋰離子電池電化學(xué)偽二維（P2D）模型是基于多孔電極理論以及濃溶液理論建立的，如圖7所示，考慮了電池內(nèi)部的實(shí)際化學(xué)反應(yīng)過程，包括固相擴(kuò)散過程、液相擴(kuò)散及遷移過程、傳荷過程、固液相電勢平衡過程。采用Butler-Volmer方程描述每個(gè)電極上的電化學(xué)反應(yīng)及表面的嵌入與脫出鋰過程，采用Fick第二擴(kuò)散定律來描述鋰離子在顆粒內(nèi)部的擴(kuò)散過程。若干個(gè)描述反應(yīng)過程的偏微分方程以及相應(yīng)的邊界條件組成模型，在很短的計(jì)算時(shí)間即可得到反應(yīng)電池外部特性的充放電曲線，同時(shí)還可得到反應(yīng)內(nèi)部過程的正負(fù)極材料的固相濃度分布和固相電勢分布以及電解液的液相濃度分布和固相電勢分布等細(xì)節(jié)問題，具有準(zhǔn)確、全面、基于機(jī)理等優(yōu)點(diǎn)。

鋰離子電池單體的基本結(jié)構(gòu)如圖7所示，重要包含負(fù)極集流體（銅）、負(fù)極材料、隔膜、正極材料以及正極集流體（鋁）等。具體的極片結(jié)構(gòu)參數(shù)包括：Ln為負(fù)極厚度，Ls為隔膜厚度，LP為正極厚度，L為單層總厚度，x為電池正、負(fù)極間橫向維度，r為電極活性顆粒的球坐標(biāo)徑向維度；極片的孔隙率，各組分的體積分?jǐn)?shù)；電子電導(dǎo)率、鋰離子擴(kuò)散系數(shù)、電極反應(yīng)表面積等。

最后，極片制造的整個(gè)工藝流程-微結(jié)構(gòu)-電池性能的模擬過程總結(jié)為圖8，由原材料的產(chǎn)品特點(diǎn)作為漿料攪拌模型的輸入，根據(jù)攪拌工藝模型，輸出漿料的特點(diǎn)參數(shù)，然后再把漿料的參數(shù)輸入涂布/干燥工藝模型，輸出干燥電極的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)參數(shù)，依次類推，根據(jù)制造工藝流程一步步進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，最后直接預(yù)測電池的性能，這樣形成一個(gè)完整的鋰離子電池極片工藝鏈及電池性能模擬過程。