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ROCKET蓄电池面向锂离子电池的高均匀性电极仿生锥形流场均化结构

发布者：火箭蓄电池 发布时间：2026-05-16 09:35:02 阅读：次
模头狭缝涂布是锂离子电池（LIB）电极制造的核心工艺。然而高固含量、高粘度的浆料在传统狭缝内易形成泊肃叶流动，导致出口速度分布不均、产生涂布缺陷并降低电池性能。受白斑河豚 %% Takifugu alboplumbeus本研究提出了一种仿生锥形均流结构。该结构通过调控浆料在狭缝内的剪切稀化效应，打破泊肃叶分布，从而实现出口速度的均匀化。具体而言，通过数值模拟优化了狭缝几何参数（间隙：0.2 mm，长度：25 mm）与仿生锥形结构的特征参数（= 0.79 mm，优化后的结构实现了0.999的出口速度均匀性，显著优于现有流动均化方法。随后，我们制备了仿生锥形垫片并将其应用于狭缝模头电极涂布工艺。结果表明，与传统平壁垫片相比，该设计使涂层厚度偏差降低了285倍，达到2.78×10<sup>-3</sup>（基板速度=2.86米/分钟）。微米。此外，经优化设计的电极组装成软包电池后，在2C倍率下循环200次仍保持70.3%的容量，显著高于传统电极36.0%的容量保持率。该仿生均流策略无需复杂模具改造，在成本效益与均流性能之间实现了平衡，为高性能锂离子电池电极的工业化制备提供了新路径。b = 2.86 mm). The optimized structure achieved an outlet-velocity uniformity of 0.999, significantly superior to existing flow-homogenizing methods. Subsequently, a bionic conical shim was fabricated and applied in a slot die for electrode coating. The results showed that the coating thickness deviation was reduced by a factor of 285× compared with that of the traditional flat-walled shim, reaching 2.78 × 10−5 μm. Additionally, the optimized electrode assembled into a soft-pack battery retained 70.3% of its capacity after 200 cycles at 2C, much higher than the 36.0% capacity retention of the traditional electrode. This bionic flow-homogenizing strategy requires no complex mold modification and balances cost-effectiveness with flow-homogenizing performance. It provides a new pathway for the industrial fabrication of high-performance LIB electrodes.

图文摘要

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引言

锂离子电池（LIBs）因其高比能量、长循环寿命和环境友好性等显著优势[1][2][3][4]，被广泛应用于便携式电子设备、电动汽车及航空航天系统。然而，LIB电极的工业化生产流程复杂，涉及浆料搅拌、涂布、干燥和辊压等多道工序[5]。其中涂布工艺对保障LIB电极的可靠性与生产效率具有决定性作用[6]，因而成为工业界与科研领域的基础性热点研究方向。
主流涂布工艺包含逗号刮刀涂布、转移式涂布及狭缝模头涂布。狭缝模头涂布作为典型的预计量涂布技术，具有浆料利用率高、生产成本低、系统密封性好避免污染等优势[7][8]。研究证实该工艺具有流动均衡效应，能在较大程度上实现速度均匀化[9]，因而逐渐发展成为应用最广泛的涂布制备方法。然而，电极浆料是一种具有高固含量与高粘度的多组分体系，这导致其流变特性极为复杂[10]。正因如此，确保出口速度均匀性成为电极涂布工艺中的重大挑战。具体而言，浆料出口速度最终呈现抛物线型分布，即泊肃叶流动[11]，这种现象可归因于从模头狭缝中心至边缘区域剪切应力的递增。此外，出口速度分布不均还会引发诸多问题，包括气泡夹带[12]、涂布珠断裂[13]以及流体渗出[14]，这些问题共同导致条纹状[15]、点状[16]与不规则缺陷[17]的形成。
为提高狭缝出口处速度的均匀性，研究者们从多性向角度开展了系列研究。初期采用悬挂式模头[18][19]、鱼尾形模头[20][21][22]以及马蹄形模头[23]替代传统T型槽结构。但由于这些型腔结构复杂需精密加工，其策略适用性并不具有普适性。部分研究聚焦于狭缝结构设计，Lee等[24]开发了一种新型无性向转角狭缝结构以实现压力与出口速度的均匀分布；Lin等[21]开发了一种双层垫片结构以提高速度均匀性。Kim等人[25]通过将基于神经网络的优化算法与双层垫片配置相结合，进一步提升了速度均匀性。Huang等人[15]通过调整狭缝间隙配置减少了电极涂布缺陷。然而，现有方法在实现出口速度均匀性方面仍存在局限性。此外，通过工业模具铸造修改狭缝结构参数不仅操作成本高昂，还可能加剧边缘效应[26][27]，进一步降低涂布质量。因此，亟需开发一种兼具成本效益与优异流动均化能力的策略。
在此，本研究从自然界汲取灵感，并尝试从仿生学视角寻求突破。具体而言，已有研究[28][29][30]表明，Takifugu alboplumbeus减阻机制的启发由于其优异的减阻特性，可显著减少长距离迁徙过程中的能量损耗。其表皮上观察到大量棘刺生长，形成天然锥形结构（图1a）。在迁徙过程中，水流通过快速排开流体并形成涡旋[30]，在下游产生低压区，如图1b所示。这种机制有效降低了鱼体表面水流阻力。从促进流体速度均匀性的角度来看，这种天然减阻结构恰好发挥着有效的流动均质化作用。该特性尤其适用于涂布模头狭缝中的电极浆料——这种具有高粘度的层流流体。如图1c所示，仿生锥形结构被对称布置在模头狭缝两侧。具体而言，仿生锥形结构可调节狭缝内的剪切稀化效应，从而破坏泊肃叶流分布并实现速度均匀化（图1d）。图1e显示，通过应用仿生锥形结构，镍钴锰（NCM）浆料的出口速度均匀性[31]得到显著提升。该流速均匀性达0.999，超越了大多数其他流动均化方法[8][18][24][32][33][34]的效果，如图1f和表S1所示。此外，制备并组装了仿生锥形垫片用于制备NCM电极涂层。如图1g和表S2所示，实验结果表明干涂层厚度偏差为2.78×10−5μm，且其均匀性相较于其他已报道方法[8][12][35][36][37][38]获得显著提升。此外，将该优化后的均匀电极组装成软包电池后，表现出优异的循环容量保持率。该特定方法通过均化出口流速，为高性能电极制备提供了新工艺路径。

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