【摘要】 本文系统解析石墨阳极颗粒材料的力学行为，涵盖纳米压痕测试、Drucker-Prager帽模型应用及离散元模拟方法，揭示颗粒间滑移与压实机理，为锂离子电池材料研发提供关键技术参考。

锂离子电池核心组件中，石墨负极作为典型的颗粒复合材料，其力学行为直接影响电池安全性与循环寿命。近年来，科研团队通过"实验-理论-模拟"三位一体研究范式，在材料力学性能解析方面取得重要进展。

 

一、实验方法创新与系统流程

纳米压痕仪测试石墨颗粒弹性模量过程

图1. 所研究的石墨阳极颗粒材料标准样品制备的全过程。[1]

 

​1.样品制备标准化：采用精密浆料涂布技术制备圆柱试样，确保颗粒分布均匀性

2.多维力学测试：

  • 轴向压缩测试（应变率控制）
  • 侧向约束压缩试验
  • 纳米级压痕/划痕测试（分辨率达0.1nN）

3.​数据采集系统：集成DIC数字图像相关技术，实时捕捉颗粒位移场变化

 

二、关键理论模型突破

创新引入Drucker-Prager帽(DPC)模型，攻克传统模型局限：

  • 双机制表征：同时描述颗粒间滑移（摩擦效应）与颗粒压实（体积变形）
  • 三阶段校准法：

1. 轴向压缩确定内摩擦角

2.侧向压缩标定凝聚力

3.约束压缩完善帽部参数

  • 实验验证：预测误差<8%，优于传统Mohr-Coulomb模型

 

三、离散元模拟技术实践

在ABAQUS/EXPLICIT平台构建先进DEM模型：

  • ​接触特性参数：
    • 杨氏模量优化范围：5-15GPa
    • 表面能密度：0.5-2.0J/m²
  • ​模拟验证：
    • 强度预测误差<12%
    • 变形模式匹配度达89%
  • ​技术局限：当前模型尚未实现颗粒内孔隙率动态演变模拟

 

四、核心研究发现与应用

1.​变形双机制：

  • 初期阶段：主导的颗粒间滑移（摩擦系数μ=0.25-0.35）
  • 后期阶段：颗粒破碎引发的致密化压实

2.​失效临界点：侧向压缩破坏应变比轴向低32%±5%

3.工业应用价值：

  • 粘结剂含量优化（最佳区间8-12wt%）
  • 电极孔隙率设计（建议25-30%）
  • 极片辊压工艺参数指导

 

五、技术展望与改进方向

未来研究将聚焦：

  • DPC模型全参数校准（需补充高温高压约束试验）
  • DEM模型升级：
    • 引入粘聚力动态衰减算法
    • 发展可变形颗粒单元技术
  • 跨尺度模拟：耦合分子动力学(MD)与连续介质力学

 

本研究建立的系统方法论已成功应用于NCM三元正极材料开发，相关成果被《Journal of Electrochemical Society》收录（DOI:10.1149/2.0231806jes），为下一代高能量密度电池研发提供重要技术支撑。

 

参考文献：[1] Juner Zhu et al 2018 J. Electrochem. Soc. 165 A1160

 

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