《Journal of Energy Storage》：A combined X-ray computed tomography and discrete element method study on the thermo-mechanical behavior of cathode during calendering
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李坦|宋彦杰|高凯|朱胜新|吴一坤|李娜|罗颖|胡倩倩|王超|陈浩森|杨亚正北京工业大学先进结构技术研究所，北京，100081，中国摘要压延在锂离子电池制造中起着关键作用，因为它直接影响电极的密度、导热性和机械完整性，从而影响其加工性和整体电化学性能。本研究提出了一个集成的3D热
李坦|宋彦杰|高凯|朱胜新|吴一坤|李娜|罗颖|胡倩倩|王超|陈浩森|杨亚正
北京工业大学先进结构技术研究所，北京，100081，中国
摘要
压延在锂离子电池制造中起着关键作用，因为它直接影响电极的密度、导热性和机械完整性，从而影响其加工性和整体电化学性能。本研究提出了一个集成的3D热机械耦合框架，该框架结合了原位压缩测试、X射线计算机断层扫描（X-CT）和基于真实电极微观结构的离散元方法（DEM）模拟。通过使用这一框架，对电极压实过程中颗粒接触网络、织构张量和热传输特性的演变和相互作用进行了全面研究。结果表明，有效导热性随压延压力、轴向应力和织构张量偏差的增大而呈逻辑型非线性增加，同时随电极厚度的增加而减小。此外，织构张量偏差与外部压力和厚度之间存在强烈的二次相关性，这突显了其对结构各向异性的敏感性以及在热传导路径形成中的关键作用。作为结构描述符，织构张量偏差有效地桥接了微观尺度上的接触重排和宏观热性能。此外，研究还揭示了压延过程中热路径发展的“初始生长-饱和”演变模式。这些发现为优化先进电池制造中的电极结构和压延策略提供了宝贵的理论见解和建模指导。
引言
锂离子电池（LIBs）目前是领先的储能解决方案[1]，由于其卓越的能量密度、延长的使用寿命和没有记忆效应，为便携设备、电动汽车和可再生能源电网提供了动力。随着全球需求的快速增长，大量的研究工作集中在优化LIBs的制造工艺[2]、[3]上。特别是压延是一个关键步骤，因为它直接影响电极密度和微观结构接触网络[4]、[5]。在压延过程中，活性颗粒的重新排列改变了接触网络、应力分布和孔隙连通性[6]、[7]，进而影响电极的结构稳定性。此外，该过程增强了电极涂层/电流收集器界面处的界面接触，从而提高了粘附性、电荷传输效率和热传导性[8]、[9]。先前的研究表明，压延显著改变了电极微观结构，并显著影响了其导热性，而导热性是与安全和可靠性密切相关的关键因素[10]、[11]。因此，了解压延过程中电极的微观结构演变和热传输特性对于提高电池性能、散热和热安全性预测至关重要[12]。
在实验表征方面，Meyer和Bockholt[13]使用汞侵入孔隙率法在不同压延压力下量化了孔隙率，从而建立了孔隙率-压力关系并分析了等效颗粒尺寸分布。Yang等人[14]应用生成建模来重建SEM观察到的颗粒形状和分布，从而能够定量评估孔隙结构、配位数和内部应力。Kang等人[15]利用X射线计算机断层扫描（X-CT）跟踪压延过程中涂层的微观结构演变，重点关注孔隙率和孔径变化。总体而言，这些研究提供了关于宏观力-位移行为背后物理机制的见解[16]。然而，上述大多数研究都是基于离体实验的，这可能会引入由于样品变异性导致的数据不确定性，使得难以捕捉实际加载条件下的真实结构演变。为了解决这一限制，Lu等人[17]开发了一个结合X射线纳米计算机断层扫描（nano-CT）的纳米力学测试平台，能够逐步观察压延过程中的微观结构演变。虽然这种方法有效地验证了准原位条件下的结构变化，但由于样品尺寸小和横向约束不足，导致了边缘效应，如颗粒位移和溢出，这与全尺寸压延的实际物理机制有所偏差。为了克服这些限制，研究采用了结合多阶段X-CT扫描的新型原位纳米力学平台。这种方法能够实时跟踪真实压延条件下的电极结构演变。对样品制备和加载的改进控制确保了更具物理代表性的实验，为研究结构-性能关系提供了坚实的基础。关于压延过程简化的详细理由——即将轧制过程简化为压实过程——在补充材料中提供。
为了全面研究压延过程中的热机械演变，数值模拟相比实验具有显著优势，包括成本更低、效率更高以及对参数的完全控制。离散元方法（DEM）已成为模拟压延过程中介观电极结构演变的强大工具[18]、[19]。DEM跟踪颗粒间的接触和机械相互作用，以模拟颗粒重排和接触网络演变，适用于异质材料并实现多物理场耦合。Zhang等人[6]、[20]使用DEM分析了成分和压延参数对电极微观结构、机械响应和导电性的影响，展示了其建立结构-性能关系的能力。
DEM也被用于模拟电极中的热传递。Sangrós等人[21]进行了广泛的参数模拟，研究了孔隙率、颗粒尺寸和电极厚度对多孔电极加热速率的影响。在他们的研究中，采用了平板配置，上下板温度分别设定为273 K和350 K。Lippke等人[19]分析了热压延过程中电极的温度演变，其中热传导模型将粘合剂和导电炭黑（CB）表示为热传递的纽带。Oehler等人[18]进一步探讨了结构特征对电极有效导热性的影响；然而，他们的多孔结构是使用MATLAB随机生成的，无法准确再现真实电极形态。然而，这些研究受到使用理想化结构的限制[22]，限制了热预测的准确性。
为了防止模拟中的几何形状过于简化，本研究采用了直接从原位X-CT扫描中提取的真实颗粒几何形状构建的三维DEM模型。应用了经过验证的粘合剂键合接触模型[23]来模拟活性颗粒和粘合剂域之间的相互作用。通过结合直接颗粒-颗粒热传递和短程非接触路径来模拟热传导，实现了在不同压延压力下的高保真模拟。这种方法能够精确表征结构-热性能相关性，为优化压延策略和电极设计提供了理论基础。
本文的结构包括：第2节介绍了实验数据、模拟方法和模型验证。第3节提供了结果以及详细的热机械分析，并介绍了一个模型来阐明控制热机械演变的耦合机制。
章节片段
实验装置
本研究采用了原位加载装置，如图1(a)所示。该装置使用圆柱形透明聚碳酸酯（PC）管作为成像窗口，以便在压缩过程中清晰可视化。如图1(b)所示，管内的样品通过底部由电机驱动的垂直杆固定。管的上端装有固定加载头，其位置可以使用精密螺纹机构进行精细调节，同时
机械分析
在电极压延过程中，颗粒通过颗粒间键合形成接触网络。DEM模拟量化了在渐进压缩过程中配位数和比表面积的演变，以表征结构致密化行为。此外，构建了接触力网络来跟踪力链的演变。通过结合织构张量和应力张量分析，本研究实现了接触的定量表征
结论
本研究结合了原位压缩测试和X射线计算机断层扫描（CT），基于真实微观结构建立了三维离散元方法（DEM）模型。研究旨在揭示电极压延过程中的微观结构变化如何控制锂离子电池电极的热传输特性。
在压缩力增加的情况下，颗粒间的相互作用显著增强，导致平均配位数显著上升
CRediT作者贡献声明
李坦：撰写——原始草稿、可视化、研究、数据整理。宋彦杰：撰写——审阅与编辑、方法论、研究。高凯：软件、方法论、数据整理。朱胜新：资源、研究、资金获取。吴一坤：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取。李娜：撰写——审阅与编辑、研究。罗颖：形式分析。胡倩倩：研究。王超：形式分析。陈浩森：监督、资源，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号：U23B20171）和国家自然科学基金（编号：12402214）的支持。
