壓實密度是鋰離子電池生產中非常看重的一個指標，壓實密度越高，在同樣的體積內能夠裝入更多的電極，提高活性物質在電池內部的占比，從而提升電池的體積能量密度和質量能量密度。當然，壓實密度也并非越高越好，通常而言，隨著壓實密度的提高，電極的孔隙率會逐漸降低，同時電極顆粒之間的孔道也會因為電極的擠壓而發(fā)生變形，引起迂曲度的升高，導致電解液在電極內的擴散困難，表現在宏觀上就是電極的浸潤性降低。因此選擇合適的壓實密度，對于提高鋰離子電池的能量密度，同時不至于嚴重影響鋰離子電池的其他性能就顯得尤為重要。

 

        近日韓國首爾大學的SangGun Lee（第一作者）和Dong Hyup Jeon（通訊作者）利用多相網格玻爾茲曼方法對電解液在二維鋰離子電極模型中的擴散的動力學特性進行了研究，研究表明電極的碾壓比例的升高會導致電極浸潤性顯著的下降，特別是在高壓實密度下，電解液在垂直電極方向上的浸潤非常小，電解液主要集中在電極表面和隔膜上。負極由于碾壓過程中顆粒變形較大，因此相比于正極在相同的碾壓比例下負極的浸潤性更差。

 

        網格玻爾茲曼方法（LBM）來源于對理想氣體的研究，LBM中的顆粒采用分布函數（如下式所示）模擬，其中f表示在位置x和時間t的位置發(fā)現顆粒的可能性。

 

 

 

        鋰離子電池中常用的正極材料，例如LiCoO2 (LCO)、LiMn2O4 (LMO)、Li(NiCoMn)O2 (NCM) 和 LiFePO4 (LFP)等都具有非常大的硬度因此碾壓的過程中不會發(fā)生變形，僅僅是發(fā)生了顆粒的重新排布。而石墨負極的顆粒相對比較軟，因此在碾壓過程中會發(fā)生塑性變形。這一點能夠從碾壓后的電極SEM照片中得到驗證（如下圖所示），從圖中能夠看到正極在碾壓后顆粒仍然呈現球形的形狀，而負極則已經發(fā)生了明顯的變形。因此在負極的碾壓中，不僅要考慮壓實密度對于電極孔隙率等因素的影響，還需要將負極活性物質顆粒在碾壓過程中發(fā)生的形變考慮在內。

 

        我們假設在碾壓的過程中不會破壞原有的活性物質顆粒，而僅僅會對顆粒之間的空隙大小產生影響，根據上述假設作者構建了正極和負極材料在0%、10%、20%、30%和40%壓實比例下的電極結構（如下圖所示），在碾壓的過程中活性物質顆粒的體積是保持不變的，但是電極之間的空隙體積會持續(xù)的降低。同時也正如前面所提到的，在碾壓過程中正極活性物質顆粒保持了球形，而石墨材料在碾壓過程中發(fā)生了塑性形變，因此在碾壓比例較高時活性物質顆粒從球形轉變?yōu)闄E圓形。

 

 

        正極和負極在不同的碾壓比例下孔隙率的變化如下圖所示，從圖中能夠看到在未碾壓的狀態(tài)電極的孔隙率約為40%，隨著電極碾壓比例的提高，電極的孔隙率快速下降，一般我們認為當電極的碾壓厚度超過40%以后，電極的孔隙率就基本下降到0%，但是該模型預測值卻要明顯高于0，這主要是因為該模型是一個二維模型，因此允許活性物質顆粒之間發(fā)生重疊，這也是該模型一個小的缺陷。從下圖中能夠看到在相同的碾壓比例下正極的孔隙率要高于負極，這主要是因為碾壓后正極仍然保持了球形顆粒的形狀，而負極則因為碾壓而發(fā)生了塑性形變。

 

 

        電解液的擴散過程如下圖所示，電解液的浸潤過程可以分為以下幾步

        1、首先電解液從左邊開始進入

        2、電解液在毛細壓力的作用下沿著電極和隔膜進行擴散

        3、由于電解液沿著隔膜擴散較快，因此電解液從隔膜向電極內部進行擴散

 

        下圖為采用模型得到的不同碾壓比例的正極的電解液浸潤特性，其中藍色部分表示電解液，淺灰色部分表示電極內部的氣體。從下圖a中能夠看到，沒有碾壓的正極材料中電解液擴散到了大部分位置，僅有電極中間部分和尾部留有少量的空氣。當電極碾壓10%后，在相同的時間內從隔膜的擴散的電解液沒有擴散到達正極的底部。隨著碾壓比例的繼續(xù)提高，正極中的藍色區(qū)域越來越少，表明電解液在電極中的擴散也越來越困難。

 

        下圖為正極在厚度方向上電解液飽和度與距離電極表面距離的關系，從圖中能夠看到隨著距離電極表面距離的增加，電解液的飽和度出現了明顯的下降，表明電極中的電解液隨著距離電極表面的距離增加出現了明顯的減少。其中沒有碾壓的電極這種降低趨勢較慢，表面電解液的浸潤情況較好，而隨著碾壓密度的升高，曲線的降低速度也大大增加，表明壓實密度對于電解液的浸潤有非常大的影響。

 

 

        下圖為電解液在不同碾壓比例的負極中的浸潤情況，從圖中能夠看到沒有碾壓的負極同樣浸潤情況較好，從隔膜擴散的電解液能夠到達電極的底部，但是進行碾壓后的電極的浸潤能力就出現了非常大的降低。這主要是因為石墨顆粒在碾壓后出現了塑性變形，因此導致了電極內部出現了大量不聯(lián)通的盲孔，影響了電解液在電極內的擴散，下表對比了在相同的碾壓比例下正極和負極電解液飽和度，從表中能夠看到負極經過碾壓后電解液的飽和度更低，表明在相同的碾壓比例時，電解液在負極中擴散更加困難。