锂离子电池涂布在线监测技术

锂离子电池极片制造工艺包括混料、涂布、干燥和辊压等，是一个复杂的过程，这些工艺过程都会影响电极的微观结构和最终性能。涂布和干燥工艺约占电极制造总成本的22%。为了在电极制造中实现所设计的良好结构，进一步提高质量并降低成本，需要启用工艺预测工具在加工过程中进行工艺优化，而且不对性能产生不利影响。

工艺影响不能孤立地研究，每个变量都会对下一阶段工艺产生不同的影响。例如高强度的混合（更高的速度，更长的时间）可以更有效地分解聚合物，从而得到具有更理想流变性的浆料，即在与涂层相关的高剪切速率下粘度较低，可以以更高的速度涂覆。但是，较高的混合速度也可能引起粘合剂剪切降解，然后导致涂层在干燥或压延过程中分层或开裂。

因此，电极制造的数字孪生，使用自上而下（例如机器学习研究参数与输出产品的关联）和自下而上（开发基于化学和物理的模型）的组合方法来全面了解制造过程，是非常有必要的。而先进的计量技术是数字孪生制造的关键，它可以在制造的中间过程监测关键参数，从而分析影响效应并阐明可能机制。

电极制造工艺变量和输出的半成品属性总结在表1中

电极涂布是制造过程中的重要部分，对电极最终的微观结构有很大贡献，因此，本文简单介绍涂布工艺中的在线计量技术。涂布所涉及的参数如图1所示，包括涂布工艺参数、浆料特性参数和界面特性，这些参数可以在涂布之前或期间进行测量。而湿涂层特性：厚度、涂层重量和缺陷，是涂布阶段的输出参数，可在涂层进入干燥阶段之前监控涂层的质量。

在线监测的最终目标是将涂布工艺和设备完全数字化，以便可以确定输入和输出参数之间的联系和相互依赖关系，从而创建数字孪生，用最少的人工输入实现实时控制。

图1  浆料和涂布工艺参数

涂层厚度测量技术

涂布的关键参数之一是达到所需的涂层厚度，这是电极生产的关键，因为较厚的电极含有更多的活性材料，增加了能量密度，但也具有更大的扩散距离，降低了功率，并可能使电极上的响应不均匀并导致更快的降解，涂层存在平衡两方面影响的最佳厚度。因此，控制厚度很重要。涂层厚度的测量技术及其优缺点如表2所示：

涂层重量测量技术

涂层重量，即单位面积涂覆的涂层质量，是涂布工艺中的另一个重要参数，单位面积活性材料的质量决定了电极的最终容量。涂层重量的测量技术及其优缺点如表3所示：

涂层结构和缺陷检测

涂层的结构和缺陷的存在是另一个可能影响电极性能的因素，识别和控制它们很重要。涂层上可能会出现大量缺陷类型，必须尽量减少这些缺陷，例如导致空隙的滞留气泡、导致起伏肋纹的不稳定流动、干燥时形成裂纹等。涂层缺陷的测量技术及其优缺点如表4所示：

对于所有参数，都可以使用计量技术进行测量，并对涂布参数进行反馈控制，但这需要很好地理解输入参数和涂层输出参数之间的关系，这就需要实验分析或建模方法。比如采用有限元流体力学模型对涂布过程进行模拟，研究涂布窗口等。总之，这些参数可用于多物理场或数据驱动的模型中来预测设计，还有助于监测和控制涂层过程。

参考文献

Materials & Design，Volume 209, 1 November 2021, 109971

A review of metrology in lithium-ion electrode coating processes

Carl D.ReynoldsadPeter R.SlaterbdSam D.HarecdMark J.H.SimmonscdEmmaKendrickad

https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.109971