离散元模型研究电极辊压及其对电化学性能的影响
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。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. 著作权归作者所有，欢迎分享，未经许可，不得转载
首次发布时间：2023-09-19
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