锂离子电池（LIBs）对于交通领域的脱碳、消费电子技术的发展以及可再生能源基础设施的建设具有重要意义。锂离子电池的高能量和功率密度使其能够被集成到电动驱动系统中，并作为便携式和固定系统的储能设备[1]。预计未来几年电池生产行业将经历显著扩张，欧洲将是重点发展区域[2]。与此同时，这一进展需要建立成本效益高、可扩展且可靠的制造工艺，以进一步降低生产成本[3]。实际上，锂离子电池的生产仍然是一个复杂且成本高昂的过程，主要是由于材料成本高昂，特别是在新材料的研发和验证阶段废品率较高[4,5]。在保证电极质量的同时满足高生产性能和严格公差要求是一个重大技术挑战，因为即使是微小的微观结构或机械缺陷也会对电池性能、安全性和使用寿命产生显著影响。尽管这对成本和性能有影响，但行业在全面、结构化的质量控制方面的方法仍在发展中，缺乏可靠的标准方法[6]。推进工艺结构分析和质量指标的建立对于提供有效的质量控制工具至关重要。这些指标有助于在放大生产过程中进行精确监测和优化，从而支持低成本、高质量锂离子电池的生产。
压延是锂离子电池电极生产过程中的关键步骤[7]，其目的是通过滚筒压缩电极来减少孔隙率[8]、增强颗粒间的接触[9]并提高电极涂层与集流体箔之间的粘附力[10]。这种压缩过程会对电极结构施加较大的机械应力，尤其是在涂层与金属集流体箔的界面处。随着压缩率的提高以获得更高的体积能量密度，过程引起的变形风险也会增加[11, [12], [13]]。这些变形可能表现为宏观结构缺陷，如波纹[14,15]或皱纹[11,16]，尤其是在涂层区域与未涂层区域之间的过渡区更为常见。这些变形可能会影响后续生产步骤的工艺性能，并可能导致电极报废[12,17]。在微观结构层面，高压缩会导致集流体箔中的颗粒凹陷。虽然这些凹陷可能会提高集流体箔与涂层界面处的导电性和粘附力[18,19]，但也可能引入机械脆弱性[21]。这种在宏观和微观尺度上都表现出的变形行为是工艺结构相互作用的结果，受涂层配方[22,23]、集流体箔的性能[24,25]以及压延参数[26,27]等因素的影响。
现有文献主要关注压延的宏观效应及其引起的缺陷分析。相比之下，对微观结构颗粒凹陷及其对电池性能影响的深入分析仍然不足。Gandert等人[28]研究了涂层与集流体箔之间的界面，发现有效热接触电阻与粘附强度密切相关，并对电极堆的整体热导率有显著影响[28]。张等人[29]使用基于离散元方法（DEM）的模拟模型研究了涂层内部及其与集流体箔界面的热导率，发现界面热电阻受界面接触点数量和大小的影响，从而可以计算出界面热传递系数[29]。相关研究中提出了一种结合有限元方法（FEM）和DEM模拟的创新方法，以分析压延过程对集流体箔机械性能和形态变化的影响[21,24,25]。实验和模拟表明，正极铝箔中的颗粒凹陷是导致断裂应力、屈服强度和延伸率降低的原因[21]。此外，还发现铝集流体在拉伸载荷下的微观变形会导致应力集中和裂纹形成，而涂层中较大的不均匀颗粒尺寸分布会导致箔材机械强度进一步下降[25]。
尽管颗粒凹陷对电极质量至关重要，但由于缺乏可重复的表征方法，对其系统定量分析和空间分析仍然不够充分。了解压延引起的凹陷对于提高界面粘附力、降低接触电阻和增强机械可靠性至关重要。界面相关的研究使用了横截面扫描电子显微镜（SEM）成像[19,28]、表面粗糙度量化[29]或机械分层测试[10,30]，但缺乏用于表征特定颗粒凹陷的定量方法。现有的分析方法无法充分解析颗粒凹陷的细观形态，也无法为不同材料或工艺条件提供标准化的比较指标。定制的工艺设计需要全面了解压延参数如何影响表面和内部结构特性，从而在电极密度、性能和成本效率之间做出更好的权衡决策。本研究系统地分析了集流体箔与涂层界面在压延参数和箔材性能方面的工艺结构关系。在Hille等人[31]之前的研究中，采用了基于模型的自动化方法对激光结构化电池电极进行了几何特性分析，并证明了该方法可用于分析压延过程中集流体箔表面的微观结构[31]。该方法基于迭代加权最小二乘算法和基于阈值的权重分离来识别特定的孔洞结构[31,32]。电极表面的地形数据是通过共聚焦激光扫描显微镜（LSM）获得的。在Mayr等人的相关研究中[16,26]，该算法被用来量化集流体箔中的颗粒凹陷数量与压延参数之间的关系[16,26]。在本研究中，改进了Hille等人[31]开发的算法，以量化压延引起的颗粒凹陷对集流体箔接触面积的增加。该方法能够提取相关的几何参数，如凹陷深度、直径和凹陷数量，从而建立与工艺参数和材料性能之间的力学关联。本研究的方法创新之处在于开发了一种基于实验测量的压延引起的颗粒凹陷的定量描述符，克服了现有表征技术的局限性。以往的方法，包括SEM截面、表面粗糙度指标和DEM-FEM模拟，要么在空间上受到限制，要么缺乏全面的验证。所提出的算法提供了第一个可扩展和标准化的框架，用于高精度地提取凹陷几何形状，绘制接触面积，并将这些特征与界面电阻和粘附力等产品性能相关联。因此，该方法填补了界面分析的空白，提供了对压延引起的机械相互作用更深入的理解，有助于优化压延参数和电极设计，从而提高电池性能和耐用性。
