三一技术装备：电极辊压中的建模、模拟和断层扫描应用

辊压是一个关键的电池生产步骤，通过辊压，电极涂层被压实到目标密度。这个过程会影响到电极的孔隙率、附着力、厚度、润湿性和电荷传输特性，以及涂层的均匀性。最佳的辊压电极改善了电池的体积能量密度、循环稳定性和速率能力，也提高了活性材料的结构稳定性，这影响到电极的安全性和极化。

电池生产

今天备备将概述辊压基本过程和机制，以及如何利用建模、模拟和断层扫描来优化这些过程。

辊压基本过程和机制

图1—— a) 电极生产到电池生产链的示意图；b) 典型双面电极的辊压工艺及其对电极孔隙率和结构的影响示意图；c) 典型的单层阳极电极在辊压之前（左）和之后（右）的SEM截面图像。

01电极辊压工艺

辊压

辊压是LIBs电极生产链中的重要工艺步骤之一（图1a），因为它决定了最终的电极微观结构。在混合、涂布和干燥之后，多孔涂层经历了机械压实，减少了涂层的孔隙率，并通过减少涂层厚度提高了体积能量密度（图1b）。

体积能量密度计算原理

现状

辊压过程的影响在阳极和阴极之间是不同的，并取决于所使用的电极化学。由于辊压工艺影响颗粒网络和孔隙网络，它强烈影响了电极的电、电化学和机械性能。

经验模型

在过去的几年里，根据实验数据对锂离子电池电极的辊压行为进行建模已经取得了稳步的进展。对于未来的应用，使用新的电池化学成分或改进的活性材料将同时要求进一步发展建模工作，特别是关于活性材料的机械行为。此外，需要新的在线测量技术，如Diener等人开发的直接辊隙测量系统。该系统可用于加强机械、工艺参数和产物之间的相互作用的联系。

电极缺陷

辊压产生的电极缺陷

图3 辊压产生的电极缺陷——a）皱纹；b）电极波纹；c）电弧状电极；d）涂层厚度不均匀；e）活性材料颗粒的裂缝；f）电极箔撕裂。

02 建模、模拟和断层扫描

微观结构

微观结构

图5—— a)展示了一个计算工作流程，从浆料（粗粒分子动力学，CGMD，模拟）开始，到干燥的电极（CGMD模拟），到辊压的电极（离散元素法，DEM，模拟），最后是电化学性能的评估（用连续有限元法，FEM，模型）；b)展示了电极的浆料、干燥和辊压阶段的颗粒和胶体动态模拟，包括电极中间的横截面。AM颗粒显示为红色，碳粘结剂域（CBD）相显示为蓝色，孔隙相显示为白色区域；c)展示了从三维图像数据和分析性CBD "粘结剂桥 "算法的组合中生成三维计算有限元网格的工作流程。

机械性能

活性材料的两种建模方法的示意图

图6 活性材料的两种建模方法的示意图——a）Bond方法；b）碳粘结剂域（CBD）粒子方法，灰色为活性材料和集流体，黑色为非活性材料的各自形式。

真实世界的电极的复杂性需要多种方法的组合（包括建模和实验技术，如X射线断层扫描），以准确描述电极微结构的机械行为。

电化学特性

微观结构和电化学性能之间的联系是众所周知的，因为诸如孔隙率或迂曲度等特性会对电荷转移过程产生直接影响。

过X射线纳米计算机断层扫描和建模得到的辊压对电极微结构和电化学性能的影响

图8 过X射线纳米计算机断层扫描和建模得到的辊压对电极微结构和电化学性能的影响——a)实验装置；b)对位照片；c)辊压前的X射线照片；d-f)不同辊压阶段的电极微观结构演变图像；g-i)辊压孔结构内质量通量的图形表示；j）与辊压步骤相关的孔径分布；k）根据三维重建确定的辊压步骤建立微观结构参数；l）三种不同质量负荷的电极之间的电化学性能比较，以及它们是辊压的还是未辊压的。

03 总结

辊压过程和材料依赖的结构反应以及由此产生的性能之间的联系是一个关键。它证明了理解这种联系如何能帮助优化各种AM和应用的辊压工艺，以及允许辊压工艺用于优化电极的材料特性。

三一

建模和模拟可以是一种更容易获得的、具有成本效益的方式，以获得对辊压过程中产生的电极中的微观结构、机械和电化学效应的详细了解。将建模方法与实验研究联系起来，是更好地理解工艺-结构-性能关系的重要步骤。

（本文来自三一技术装备有限公司）

责任编辑：Miranda