在电芯制造的前、中、后工序中，前工序尤为重要，涉及核心部件——电极片的制造。电极浆料由微米/亚微米大小的活性颗粒、几十纳米的导电碳颗粒、几纳米的聚合物粘结剂分散在溶剂分子中而形成，涉及范德瓦尔斯力、布朗力和静电力、空间位阻和流体动力学的相互作用。
在搅拌工序，多相流模拟可以用于仿真机械作用下浆料中液相溶剂与几种固相颗粒的混合流动过程；布朗动力学、蒙特卡洛方法则可以仿真固体颗粒团聚/分散等动力学行为。这些仿真分析技术可以帮助优化浆料配方、混料顺序、下料速度、搅拌工艺（时间、温度、真空度），保证浆料具有合适的粘度，提高固体物质的分散均匀性和稳定性，同时降低能耗和设备磨损，从而提升电池生产过程中浆料搅拌的工艺质量和效率。
图1 布朗动力学方法模拟不同导电碳含量及硅颗粒大小情况下的团聚行为[1]
在涂布工序，计算流体力学（CFD）主要模拟浆料在模头狭缝及箔材上的流动情况（流速、压强、粘度、剪切速率等），分析涂布均匀性和厚度控制，优化涂布模头设计（模头gap、狭缝尺寸、垫片尺寸等）和操作参数（如泵速、涂布速度），进而提高涂布质量，确保涂层厚度均匀，减少材料浪费，提升电池性能和一致性。
图2模唇出口处浆料剪切速率和粘度分布的仿真结果[2]
在干燥工序，动态蒙特卡洛（kMC）、粗粒化分子动力学（CGMD）、离散元（DEM）等方法可以用于模拟溶剂蒸发、粘结剂迁移、固体颗粒堆积等过程，进而得到形成的电极微结构，可与极片截面FIB-SEM结果进行对比（图3）；CFD仿真可以模拟对流热风干燥/循环热风冲击干燥等工艺的风场和温度场（图4）。借助模拟仿真技术，能够模拟干燥过程中溶剂蒸发和固相物质迁移及排布，分析涂层的干燥均匀性，优化风频和干燥温度，提高干燥效率，以及确保粘结剂的分布均匀。例如，Jaiser等提出三段式干燥工艺来平衡溶剂蒸发过程中的粘结剂迁移和干燥效率，从而提升极片剥离强度。[5]
图3 粗粒化方法模拟干燥过程中活性颗粒、碳胶相的运动行为；仿真得到的电极微结构与FIB-SEM截面对比[3]
图4 流体-结构耦合仿真分析悬浮干燥喷嘴处温度场[4]
在辊压工序，DEM通常被用于模拟施加外部载荷（辊压力）情况下极片中颗粒的运动过程，可以分析给定辊压压力、速度和颗粒尺寸分布下的压实密度（图5），甚至辊压后的粘结剂、导电剂分布情况。随着增大辊压力，可以获得给定粒径分布下的极限压实密度；反过来，可以指导优化粒径分布实现更高压实密度。此外，通过力学仿真优化压辊设计/辊压参数（如压辊直径、对辊间隙）、张力控制，避免极片断带、打皱，还可以减少设备磨损，延长设备使用寿命。
图5 DEM模拟辊压至不同压实密度/厚度的电极微结构vs.实验结果[6]
在焊接工序，有限元模拟可以分析超声焊/激光焊过程中热传导和应力分布（图6），分析焊接接头的强度和质量，优化能量、振幅、压力，或功率、速度、离焦量、保护气流速等超声/激光焊接工艺参数，减少缺陷，确保焊接牢固和外观良好，保障电池的安全性和可靠性。
图6 焊接过程中的热应力分布动态演化（图片来源网络）
在注液工序，固-液两相流仿真能够模拟注液过程中电解液在壳体内及JR上的流动和分布，优化注液速度、正/负压力和切换频率，确保单次注液量，减少注液偏差，降低电池性能波动，提升电池寿命表现。此外，格子玻尔兹曼方法（LBM）可以用于模拟多孔电极/隔膜中电解液的浸润过程，从而设计注液后的静置时间和温度，以及优化电极结构参数以提升浸润效率（图7）。
图7 仿真不同孔隙率下打孔电极中电解液的浸润情况[7]
建模仿真技术在电池制造过程中的应用，可以显著提升各工艺步骤的质量和效率，优化工艺参数，降低能耗和材料浪费，提高电池的一致性和性能。通过数字化CAE技术，企业可以在虚拟环境中进行大量的实验和测试，快速优化工艺设计，减少物理实验的成本和时间，提升产品的竞争力和市场响应速度。
参考文献：
[1] Manuella Cerbelaud, Bernard Lestriez, Arnaud Videcoq, et al. Journal of The Electrochemical Society, 162 (8) A1485-A1492 (2015)
[2] Semi Lee, Jaewook Nam. J. Coat. Technol. Res., 12 (5) 949–958, 2015
[3] M.M. Forouzan et al. Journal of Power Sources 312 (2016) 172e183
[4] Tianlun Huang, Penghui Tan, Maoyuan Li, et al. International Journal of Thermal Sciences, 2019, 137: 665-674.
[5] Stefan Jaiser, Anatolij Friske, Michael Baunach, et al. DRYING TECHNOLOGY
2017, VOL. 35, NO. 10, 1266-1275
[6] C. Sangrós Giménez, B. Finke, C. Schilde, L. Froböse, A. Kwade, Powder Technol. 2019, 349, 1
[7] S.K. Mohammadian, Y. Zhang. International Journal of Heat and Mass Transfer 118 (2018) 911-918
[8] Elixabete Ayerbe, Maitane Berecibar, Simon Clark, et al. Adv. Energy Mater. 2022, 12, 2102696
