在鋰離子電池的制造工藝中，極片輥壓是決定電池最終性能的關(guān)鍵“臨門一腳”。這一工序不僅直接關(guān)系到電極的厚度和能量密度，更深刻地重塑了電極內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)。本文開發(fā)了一套基于真實(shí)NMC正極X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描（XCT）圖像的3D有限元模型，將機(jī)械模擬與電化學(xué)模擬深度耦合，精確預(yù)測(cè)了輥壓過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)的演變及其對(duì)電池質(zhì)量/體積比性能的影響。

從圖像到模型：重構(gòu)微觀世界

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研究團(tuán)隊(duì)首先獲取了原始NMC正極的3D微觀結(jié)構(gòu)圖像，利用非局部均值濾波去噪，并采用機(jī)器學(xué)習(xí)（Ilastik軟件）方法對(duì)活性物質(zhì)（AM）、碳膠相（CBD）和宏觀孔隙進(jìn)行了高精度分割。隨后，他們?cè)贏BAQUS軟件中建立了物理分辨的有限元模型，模擬極片在剛性輥輪下的壓縮過(guò)程。

電極XCT圖像數(shù)據(jù)集的圖像處理、機(jī)器學(xué)習(xí)分割及3D重構(gòu)流程圖：(a) 原始圖像數(shù)據(jù)集（亮區(qū)為活性物質(zhì)或碳膠相，暗區(qū)為孔隙）；(b) 非局部均值濾波處理后的圖像；(c) 歸一化灰度處理后的圖像；(d) 機(jī)器學(xué)習(xí)分割后的圖像；(e) 標(biāo)記后的活性物質(zhì)顆粒；(f) 電極3D重構(gòu)圖（僅顯示活性物質(zhì)），橙色框?yàn)橛糜诰W(wǎng)格劃分和有限元建模的選定立方體區(qū)域

力學(xué)行為與結(jié)構(gòu)演變

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模擬結(jié)果生動(dòng)展示了電極在輥壓過(guò)程中的力學(xué)響應(yīng)。隨著壓實(shí)程度增加，孔隙率呈現(xiàn)線性下降，從初始的43.8%降至50%形變下的極低水平。值得注意的是，孔隙曲折度與孔隙率之間并非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，通過(guò)擬合發(fā)現(xiàn)其遵循特定的冪律關(guān)系。

在機(jī)械層面，模型捕捉到了顆粒的運(yùn)動(dòng)與變形。初期，顆粒主要發(fā)生重排；隨著壓力增大，顆粒間的接觸應(yīng)力急劇上升，導(dǎo)致局部高應(yīng)力集中，這與實(shí)際生產(chǎn)中觀察到的顆粒破碎現(xiàn)象高度吻合。

(a)輥壓過(guò)程中電極的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(b) 在應(yīng)變/輥壓程度分別為10%、20%、30%、40%、45%和50%時(shí)，電極的3D變形微觀結(jié)構(gòu)；(c) 輥壓過(guò)程中活性物質(zhì)顆粒在電極內(nèi)的體積分?jǐn)?shù)隨Z軸歸一化距離的變化

電化學(xué)性能的博弈：質(zhì)量與體積的平衡

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該研究的核心貢獻(xiàn)在于揭示了微觀結(jié)構(gòu)變化對(duì)電化學(xué)性能的雙重影響。

低倍率下（<2C）：輥壓改善了顆粒間的接觸，增強(qiáng)了電子導(dǎo)電性，對(duì)容量發(fā)揮無(wú)明顯負(fù)面影響，反而因體積減小顯著提升了體積能量密度。

高倍率下（>2C）：隨著壓實(shí)密度增加，孔隙通道變窄、曲折度增加，液相中的鋰離子擴(kuò)散成為限制性因素。

模擬數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)輥壓程度超過(guò)30%（即孔隙率低于25%）時(shí)，高倍率（如5C）下的放電容量出現(xiàn)斷崖式下跌。這是因?yàn)橹旅艿碾姌O結(jié)構(gòu)導(dǎo)致電解液中鋰離子濃度梯度急劇增大，引發(fā)嚴(yán)重的極化現(xiàn)象。

不同倍率下使用3D微觀結(jié)構(gòu)的半電池模擬結(jié)果。不同輥壓程度電極的放電性能對(duì)比：(a) 未輥壓，(b) 10%輥壓，(c) 20%輥壓，(d) 30%輥壓，(e) 40%輥壓。(g) 電極額定體積比容量與孔隙率的關(guān)系對(duì)比。(h) 拉貢圖：不同倍率和輥壓程度下的（h）質(zhì)量比能量-功率分析和（i）體積比能量-功率分析

失效機(jī)理：離子耗盡與反應(yīng)不均

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為了深入探究高倍率容量衰減的根源，研究人員分析了電極內(nèi)部的鋰化狀態(tài)（SOL）分布。在5C放電倍率下，重度輥壓（40%）的電極表現(xiàn)出極度的反應(yīng)不均勻性：靠近隔膜側(cè)的活性物質(zhì)反應(yīng)充分，而靠近集流體側(cè)的顆粒幾乎未參與反應(yīng)。這與電解液中鋰離子濃度的分布完全對(duì)應(yīng)——在集流體附近，鋰離子濃度降至零，出現(xiàn)了嚴(yán)重的傳輸受限。

完全放電狀態(tài)下獲得的電化學(xué)參數(shù)。(a-d) 分別在0.5C、2C、3C、5C下活性物質(zhì)顆粒內(nèi)SOL的空間分布；(e-h) 分別在0.5C、2C、3C、5C下電解液中鋰離子濃度的空間分布；(i) 5C放電結(jié)束時(shí)，活性物質(zhì)SOL隨距集流體歸一化距離的變化；(j) 5C放電結(jié)束時(shí)，未輥壓、30%及40%輥壓電極孔隙內(nèi)電解液鋰離子濃度隨距集流體歸一化距離的變化

工藝優(yōu)化的“黃金點(diǎn)”

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基于上述分析，文章提出了電極設(shè)計(jì)的優(yōu)化策略。對(duì)于追求高功率與高能量密度平衡的應(yīng)用場(chǎng)景，30%的輥壓程度（對(duì)應(yīng)約25%的孔隙率和16%的CBD含量）被確認(rèn)為最佳平衡點(diǎn)。此時(shí)，電極既能保持較高的體積比容量（約209 mAh cm?3），又能在高達(dá)5C的倍率下避免嚴(yán)重的離子傳輸瓶頸。

此外，研究還探討了增加電極厚度對(duì)性能的影響。結(jié)果表明，對(duì)于雙倍厚度的電極，必須適當(dāng)增加孔隙率（如提高至35%）以緩解離子傳輸極化，否則在高倍率下容量將大幅受損。

這項(xiàng)工作通過(guò)“成像-建模-仿真”的閉環(huán)，不僅闡明了輥壓工藝背后的微觀物理機(jī)制，更為鋰電行業(yè)在極片孔隙率設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)設(shè)定上提供了定量的理論依據(jù)。

原文參考：Elucidating the effect of electrode calendering on electrochemical performance using 3D image-based modelling

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