锂离子离子电池中电解液浸润行为：宏观尺度模拟与实验研究

《JOURNAL OF POWER SOURCES》：Electrolyte wetting behavior in lithium-ion batteries: macro-scale simulation and experimental study

　　

电解液（electrolyte）浸润是高性能锂离子（Li-ion）电池开发中的核心技术难点之一，现有技术手段难以对电解液浸润过程进行优化及精确监测。针对上述问题，研究人员对锂离子电池材料的关键参数进行了表征，并基于COMSOL Multiphysics多物理场耦合仿真平台建立了电解液浸润均质化模型。该模型可预测和分析浸润度随时间的变化规律，并评估各参数对浸润过程的影响机制。研究人员开展了浸润实验，验证了所建立模型在一定程度上可预测多孔介质中的浸润过程。结果表明，多孔介质的孔隙结构、温度、压力、接触角及表面张力均对锂离子电池中的电解液浸润过程具有显著影响。上述发现为优化锂离子电池制造工艺提供了重要的理论基础。

论文解读：锂离子（Li-ion）电池中电解液浸润行为——宏观尺度模拟与实验研究

一、研究背景与意义

随着工业化进程推进与数字化转型深入，化石能源消耗强度持续攀升导致全球平均气温上升，减少CO₂排放成为当务之急，推动能源体系向环境友好型技术转型。锂离子（Lithium-ion, Li-ion）电池凭借高能量密度与长循环寿命优势，逐步取代镍氢（NiMH）及铅酸电池，成为便携式电子产品、电动汽车（EV/HEV）及电网储能的主流二次电源，预计2023至2030年产能将以年均30%的速度增长。然而，锂离子（Li-ion）电池工程制备中存在诸多技术瓶颈，其中活性电极颗粒致密堆积导致电解液浸润时间过长，是制约生产效率提升与电化学性能充分发挥的核心障碍之一。浸润本质上是指电解液渗入并填充电池多孔正极（cathode）、负极（anode）及隔膜（separator）微孔的过程，工业上常需数天甚至数周，造成制造周期延长；为保证浸润效率与均匀性常采用真空及高温条件，显著提升制造成本；若注液后浸润不完全即进行首次充电，易导致锂枝晶生长引发内短路，缩短循环寿命甚至造成失效。因此，实现电极与隔膜孔隙的完全浸润至关重要。

现有实验监测方法包括解剖法、电化学阻抗谱（Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS）、中子成像（neutron imaging）、X射线成像（X-ray imaging）、超声检测等。解剖法具破坏性且无法定量；EIS仅能粗略估算；中子与X射线成像虽可实现原位（in-situ）、无损可视化，但设备昂贵难以工业推广。数值模拟方面，格点玻尔兹曼方法（Lattice Boltzmann Method, LBM）多用于介观孔隙尺度二维或三维模拟，难以实现电芯级宏观全场表征；已有宏观模型或简化过度未能完整反映电芯内多组分协同作用下的浸润全过程。鉴于此，研究人员基于多物理场耦合框架建立锂离子（Li-ion）电池多孔正极、负极及隔膜电解液浸润的宏观（macroscopic）仿真模型，结合实验验证，系统探究工艺条件与材料参数对浸润行为的影响机制，该文发表于《JOURNAL OF POWER SOURCES》。

二、主要关键技术方法

研究人员选取三元锂离子（Li-ion）电池为对象，基于实际电芯尺寸与材料属性建立宏观尺度浸润仿真模型，采用基于达西定律（Darcy's law）与相输运方程的压强–饱和度（pressure-saturation）公式描述多孔介质内电解液渗流。通过扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope, SEM）与BSD-PM2比表面积及孔径分析仪表征正负极活性物质涂层孔隙结构与渗透率，获取多孔介质结构信息与固液界面参数（接触角、表面张力等）。以悬臂式湿法上升法（wetting height method，即毛细管上升法）开展单多孔正极片浸润实验获取实际浸润动力学曲线，将模拟结果与实验数据对比完成模型验证。在此基础上采用控制变量法分别考察孔隙结构、温度、压力、接触角及表面张力对浸润时间的影响规律。

三、研究结果

Numerical simulation method（数值模拟方法）

研究人员针对锂离子（Li-ion）电池内部微观平均孔径远小于宏观尺寸的特点，放弃孔隙尺度重构而采用连续介质假设与均质化方法，在全电芯维度建立基于多孔介质流动理论（Richards方程或等效Darcy–Brinkman框架嵌入两相流毛细压力–饱和度关系）的宏观模型，输入经实验测得的孔隙率（porosity, ε）、渗透率（permeability, κ）、接触角（contact angle, θ）及电解液表面张力（surface tension, γ），实现电解液在正极、负极及隔膜中随时间变化的饱和度分布计算。

Experimental method（实验方法）

研究人员使用SEM观察正极活性物质颗粒呈规则球形且分布均匀，负极颗粒呈不规则几何形；通过BSD-PM2孔径分析仪测定正负极涂层孔径分布与比表面积，压汞法或气体吸附法获取渗透率，为仿真模型提供关键物性输入参数。

Model validation（模型验证）

研究人员将宏观仿真所得单多孔正极片电解液上升高度–时间曲线与湿法上升实验数据对比，二者变化趋势相似，均呈现先快后慢的典型浸润速率特征——前24 h为快速匹配阶段。平行实验数据离散度低、稳定性好，表明所建模型可在一定程度上定性预测多孔介质内浸润动力学过程，验证模型合理性。

四、讨论与结论翻译

研究人员通过表征获取锂离子（Li-ion）电池材料结构信息与关键参数，基于COMSOL Multiphysics多物理场耦合仿真平台模拟了电解液对多孔正极、负极及隔膜的整个浸润过程，可分析不同时刻的浸润程度。研究采用毛细管上升法（wetting height method），悬挂单多孔正极片底端浸入电解液记录液面上升高度。结果表明，多孔介质孔隙结构、温度、压力、接触角及表面张力均显著影响锂离子（Li-ion）电池电解液浸润过程。这些发现为优化锂离子（Li-ion）电池制造工艺提供了重要理论基础。

— 原文结论译文 —

在本研究中，研究人员采用多种表征技术研究锂离子（Li-ion）电池材料，获取其结构信息与关键参数。基于COMSOL Multiphysics多物理场耦合仿真平台，模拟了电解液浸润锂离子（Li-ion）电池多孔正极、负极及隔膜的整个过程，可分析不同时间的浸润度。本研究采用毛细管上升法（wetting height method），将单多孔正极片悬置……[中间描述略，与上段合并]。研究表明，多孔介质孔隙结构、温度、压力、接触角及表面张力均显著影响锂离子（Li-ion）电池电解液浸润过程。上述发现为优化锂离子（Li-ion）电池制造工艺提供了重要理论基础。