锂电池极片压辊工艺模拟

电池极片的轧制是正负极板上电极粉体材料压实的过程，其目的在于增加正极或负极材料的压实密度。在工业生产中，锂电池极片一般采用对辊机进行连续辊压压实。

压辊会影响极片孔洞结构和导电剂的分布状态，从而影响电池的电化学性能。

EDEM离散元仿真研究电极压辊

利用EDEM离散元仿真软件模拟不同材料和工艺条件下锂电池极片压辊过程，了解压辊过程中电极微观结构如孔隙率、厚度反弹、比表面积、颗粒接触与粘结性断裂等是如何受到影响，通过控制微观结构的致密性以获得最优的孔洞结构，从而优化电极性能。

从扫描电子显微镜上观察一个真实阴极的图像，可以看到微观结构主要由球形粉末组成，EDEM不仅能够1:1复制这种微观结构，还提供了一系列物理特性来帮助描述材料在压实过程中的行为。

EDEM离散元仿真研究电极辊压工艺

用EDEM创建不同材料颗粒模型，由于代表性体积很小，我们可以将碾压过程近似为平板。微观结构逐渐被压缩，最后消除压缩力，允许回弹。

EDEM离散元仿真电池极片微结构

涂层孔隙率

未压辊及四种不同压实率极片微结构的实验和模型如图所示：压辊过程极片涂层随着加载压力增加，孔隙率逐渐降低；卸载过程极片回弹，孔隙率略有升高。仿真与试验结果相吻合。

电池极片微结构涂层孔隙率分析

厚度反弹

压实较小时，颗粒之间相互接触小，积累的弹性变形少，回弹小；压实增加，弹性变形增加，回弹增大；继续增加压实，颗粒应变达到屈服点以上，回弹率变小。

电池极片微结构回弹率分析

自由比表面积

涂层中颗粒的比表面积是一个重要参数。

电极反应大多集中在电极/电解液界面上进行，电极比表面积越大，在相同的表观体积和电解液能够充分润湿的前提下，电极/电解液界面越大，电极的性能越好。

与辊压前比较，B点压力达到最大，压实率最大，自由比表面积最小；随着厚度反弹，自由比表面积增加。

颗粒固相的接触与结合

固相颗粒之间相互接触到电子传导，粘接性能影响涂层结合强度。

随着压实率增加，颗粒接触点数与结合点断裂数均会增加；集流体与颗粒的接触面积越大，界面电阻越小，结合强度可能越高。

电极箔应力变形分析

此外，通过EDEM与FEA耦合仿真，对压辊过程上下电极材料层进行建模，能够分析电极箔材在压辊过程的应力和变形。

EDEM-FE耦合仿真电极箔应力变形分析