英國華威大學的學者採用實驗設計的方法研究塗布工藝和乾燥過程變數（逗號刮刀間隙、捲筒速度、塗布比率、乾燥溫度）對NMC622正極材料的物理效能（厚度、質量負載和孔隙率）和電化學效能（克容量、體積容量和倍率效能）的影響。實驗結果分析表明，
正極材料的物理效能主要受逗號刮刀間隙和塗布比率的影響，電化學效能也顯示了逗號刮刀間隙和塗布比率之間的高度相關性，且透過多元線性迴歸分析研究了正極的物理特性與電化學效能之間的關係，發現塗布重量與電化學效能之間存在相關性。
相關成果以“Understanding the effect of coating-drying operating variables on electrode physical and electrochemical properties of lithium-ion batteries”發表在Journal of Power Sources上。
原文連結：
https：//doi。org/10。1016/j。jpowsour。2021。230689
電極製造包括一系列步驟（混合、塗布、乾燥、壓延、切割和乾燥），每個步驟包括幾個過程變數（操作引數、過程狀態變數和材料屬性）和具有自身輸出結構特徵的中間品，每個階段都有助於最終的電極結構和產生的電化學效能。據估計，鋰離子電池製備涉及數百個過程變數和中間品特徵，阻礙了每個製造階段對最終電池效能影響的瞭解。
然而，關於操作引數（機器設定）和過程狀態變數（例如干燥溫度）對電池效能影響的研究很少，特別是在中試工廠和工業規模。除實驗外，還能使用其他方法來了解電極效能和工藝變數之間的因果關係，包括理論分析、生產系統模擬、不確定性量化和機器學習。
本文首次將實驗設計方法應用於NMC622正極的中試生產，確定了影響塗布乾燥過程的主要工藝變數。作者研究了物理效能（厚度、質量負荷、孔隙率）和電化學效能（克容量、體積容量和倍率效能）與塗布工藝和乾燥操作引數以及過程狀態變數（逗號刮刀間隙、捲筒速度、塗層比率、乾燥溫度和空氣速度）的關係，透過多元線性迴歸分析，得到了電極效能與工藝引數之間的相關性，該分析還用於確定扣式電池的物理特性與其電化學效能之間的關係。
透過中試工廠的統計分析，研究了NMC正極材料的電化學效能與工藝變數（逗號刮刀間隙、捲筒速度、乾燥溫度、空氣速度和塗布比率）和電極物理效能（厚度、塗布重量和孔隙率）的函式關係。逗號刮刀間隙和塗布比率被確定為在不同倍率下影響克容量和體積容量的主要操作引數。與實驗室規模的研究相反，結果表明溫度不是一個重要的過程狀態變數，至少對於實驗設計給定的操作區域而言是如此。
塗布重量被確定為最重要的引數，這解釋了電極較薄時電化學特性的大部分變化，從而產生了優異的效能。孔隙率僅在較低倍率下成為影響體積容量的一個重要引數。在相同的研究條件下電池的效能主要取決於配方和混合方案，而不是乾燥條件，配方的效果僅透過塗布的漿料量傳遞到最終電池。從設計質量的角度來看，逗號刮刀間隙和塗布比率應被視為關鍵引數，因為它們的設定直接影響電池效能，根據實驗結果，塗布重量也認為是一個關鍵因素。（文：李澍）
圖1 電極製造工藝示意圖
圖2 塗布乾燥過程的引數圖
圖3 （a） 操作變數-物理性質相關性；（b） 操作變數-電化學性質相關性；（c） 電池物理效能-電化學效能相關性
圖4 SEM和EDS圖（左）及其相應的黑白轉換（右）顯示了碳和氟的分佈
圖5 逗號刮刀間隙和塗層比率作為主要因素的函式
圖6 在80um逗號刮刀間隙和110%塗布率，以及140um逗號刮刀間隙和150%塗布率時，三種不同倍率和兩種溫度下的克容量
圖7 電池的電化學效能與物理效能
圖8 驗證執行的平均相對誤差：（a）操作變數，（b）電池的物理性質
本文來自微信公眾號“材料科學與工程”。歡迎轉載請聯絡，未經許可謝絕轉載至其他網站。
