离散元模型研究电极辊压及其对电化学性能的影响

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本文是辊压工艺第四篇：离散元模型研究电极辊压及其对电化学性能的影响

之前介绍一个锂离子电池工艺-性能开源在线模拟平台。这个平台可以访问项目数据库，允许以交互方式可视化浆料、涂层、电极微观观结构及电池特性曲线，包括模拟和实验数据。还允许可视化电化学性能结果，所有结果均可免费下载。该工具还包括一个模拟的脚本语言集合：参数化的粗晶分子动力学浆料力场（模拟浆料、涂布和辊压工艺）和三维网格划分INNOV程序，该程序允许复合电极3D网格微观结构用于电化学模拟软件。

并且以电极配方对放电过程的影响为例（活性物质AM与导电剂CBD的质量比为85：15、90：10和95：5），介绍该平台的制造工艺-性能预测模拟过程。电极制造模拟-电化学性能预测的总体仿真过程如图1所示，其中粗粒化分子动力学（CGMD）模型用于浆料制备和电极干燥过程介观结构的生成。为了使计算成本最小化，每个AM粒子用一个球体表示，粒径满足高斯大小分布。溶剂、粘合剂和碳的混合物简化为微米大小的CBD粒子。对浆料/电极制造过程进行了CGMD模拟，并预测了电化学性能。当时，模拟过程没有考虑辊压工艺。本文利用前面所述方法生成的干燥电极的微观结构，然后采用离散元法模拟了辊压过程，分析了辊压对电极介观结构的影响，包括孔径分布、迂曲度和颗粒排列。另外，还讨论了电极辊压程度对宏观电化学行为的影响，从而建立了对辊压压力，电极介观结构及其整体性能之间联系。

文末点击 阅读原文 可以下载本文中使用的以NMC为活性材料的电极浆料制备、电极干燥和辊压工艺进行建模的所有代码。

采用开源软件LAMMPS运行这些代码，生成初始电极随机结构、浆料制备和干燥形成的电极结构，采用离散元软件LIGGGHTS生成辊压后的电极结构。

代码“in_structure.run”根据活性材料（AM）和碳胶相（CBD）的体积分数以及实验测得的AM的粒度分布，建立初始随机生成的结构；代码“slurry.run”对所制备的浆料进行建模并计算各相密度（与使用的力场参数值相关）；代码“viscosity_Shear-rate.run”计算特定剪切速率和温度下的浆料粘度（与使用的力场参数值相关）；代码“dried_electrode.run”计算干燥步骤后的电极微观结构，它还可以输出电极密度和孔隙率的估计值（与使用的力场参数值相关）；代码“calendering.run”根据所需的压实程度模拟电极辊压过程。代码包含适用于薄电极和厚电极两种情况。

不同压实程度的电极孔径分布如下图所示，其中A是实验测试结果，B是模拟生成电极的结果。孔的总量及其尺寸均随着孔隙率减小（即增加辊压压力）而减小。但是，两者的孔隙半径明显不同。

A）通过压汞测试孔隙率法获得的孔径分布，B）模拟电极的孔径分布

下图是考虑CBD内部孔隙时，压延和未辊压电极（压力增大则孔隙率降低）在x，y和z方向上的迂曲度。结果表明，当增加辊压压力，孔隙率降低时，迂曲度τ增加，在高压实下达到平稳状态。另外，辊压时τ的变化对于x，y和z方向所有方向都是相似的，这表明辊压影响电解液在整个电极介观结构上的迁移特性，而不仅是沿压缩方向。

考虑CBD内部孔隙率，压延和未辊压电极（压力增大则孔隙率降低）在x，y和z方向上的迂曲度

将模拟形成的辊压电极结构用于电化学模拟，不同压实密度电极的锂化状态分布情况如下图所示。除了明显的孔隙率差异外，还可以观察到活性物质锂化的差异。对于每个电极，靠近集流体的区域具有比靠近隔膜的区域更高的锂化状态，这表明了电子传输受到限制。在未辊压的电极中，从顶部到底部有一个陡峭的浓度梯度，即。电子传导性较差。辊压后电极的锂化均匀性得到了改善。此外，锂化状态还取决于电极中的AM粒度分布。

参考文献

B A C N A , B T L A , B E N P A , et al. Investigating electrode calendering and its impact on electrochemical performance by means of a new discrete element method model: Towards a digital twin of Li-Ion battery manufacturing[J]. Journal of Power Sources, 2021,485.

来源：锂想生活