DEMMS：颗粒模拟软件在电池工艺中的应用
锂离子电池的性能高度依赖于电极的微观结构，而电极的微观结构又由制造工艺中无数颗粒的相互作用所决定。离散元方法（DEM）正是破解这一“颗粒密码”的核心工具。
什么是离散元方法（Discrete Element Method, 简称 DEM）？
1979年由Cundall博士提出，用于模拟非连续介质动力力学及相关行为的数值计算方法。此方法在拉格朗日体系下求解牛顿第二定律、对体系内每个离散单元进行动力学模拟。如今，DEM已广泛应用于颗粒分离、堵塞、磨损、积碳、结焦、输送等工程挑战的解决中。
01
DEMMS：大规模高性能颗粒模拟软件
02
电池工艺制造仿真：DEMMS 如何赋能？
◆ 正极材料粉体输送
痛点
粉体容易发生堵塞（架桥）、输送不均、分级（大颗粒沉底、小颗粒在上）以及与管壁的磨损。
DEMMS 赋能
• 预测流动性：模拟粉体在料仓内的流动轨迹，优化料仓倾角。
• 解决架桥：模拟振动器或搅拌装置对粉体流动的影响，防止堵塞。
• 分级预测：计算粉体在输送过程中是否存在分离。
实战案例：粉体气力输送
采用DEMMS计算气力输送固体粉末颗粒的管线阻力降，进行管道、风机的设计和选型， 大幅提升效率、节约成本。
✓ 颗粒总数：6亿
✓ 粒径比：1:30
✓ 粗粒化：40倍
✓ 管道直径：230mm
✓ 模拟时间：5s
✓ 单张3080Ti计算时间：72h
◆ 干法混料
痛点
纳米级导电剂（如碳黑、CNT）极易团聚，混不均匀会严重影响导电网络。
DEMMS 赋能
• 混合均匀度评估：模拟颗粒在搅拌架作用下的扩散与混合过程，确定最佳搅拌转速和时间。
• 解团聚模拟：研究剪切力如何破坏导电剂团聚体，优化搅拌桨叶片形状。
◆ 极片辊压
痛点
颗粒破碎、塑性变形、反弹（回弹）现象，以及孔隙率与密度的平衡。
DEMMS 赋能
• 接触力链分析：观察压力在颗粒间的传递路径，防止压力集中导致铝箔断裂。
• 压实密度预测：精确预测不同压力下的孔隙率演化，指导工艺参数设定。
• 颗粒破碎模拟：预测高压下哪些材料颗粒会先破碎，优化材料配比。
实战案例：单轴压实
◆ 浆料涂布
痛点
涂层边缘效应、厚度不均、颗粒在流动过程中的迁移与分布。
DEMMS 赋能
• 微观分布模拟：模拟涂布头挤出过程中颗粒的排布，预测涂层表面的粗糙度。
• 流变性预测：通过模拟颗粒间的摩擦和碰撞，从微观层面解释浆料的剪切稀化行为。
实战案例：非牛顿流体浆料涂布仿真
涂布液的流变性是影响涂料工艺质量的重要因素之一， 对涂布液剪切变稀(粘度随剪切速率的增加而降低)的现象进行研究，可为涂装工程产品质量控制提供参考。
◆ 湿法混料/浆料制备
痛点
固液耦合复杂，浆料粘度随剪切率变化，颗粒可能在浆料中沉降或破碎。
DEMMS 赋能(通常配合 CFD 流体仿真)
• 固液耦合（CFD-DEM）：模拟颗粒在粘性液体中的运动，观察颗粒受力均匀性。
• 破碎与剪切：模拟高剪切力下颗粒的破碎情况，防止材料结构受损。
实战案例：湿混/高固含率浆料流变特性
采用DEMMS软件可以模拟高固含率浆料，从而获得浆料流变特性，降低产品研制过程中样品制备和实验分析环节的成本，大幅缩短产品开发周期。
✓ 支持非牛顿流体
✓ 支持不同尺寸的流体网格-颗粒网格耦合
◆ 电解液浸润/ 注液
痛点
极片压得太紧会导致浸润困难，产生死区，影响循环寿命。
DEMMS 赋能(通常配合 CFD 流体仿真)
• 孔隙结构建模：DEM 可以构建真实的极片微观孔隙模型。
• 毛细作用模拟：结合流体算法，模拟电解液在复杂孔隙中的爬升和渗透速度， 优化极片孔隙率设计。
03
结语
从粉体到极片，从浆料到电芯——DEMMS离散元仿真软件正在为电池制造的全流程提供“颗粒级”的精准洞察。它不仅帮助工程师预测流动性、优化混合、防止堵塞、评估压实，更在固液耦合、电解液浸润等复杂多物理场问题中展现出强大的仿真能力。
随着计算能力的持续提升与物理模型的不断完善，DEMMS将继续助力新能源行业降本增效、加速创新，为下一代高性能电池的研发与制造提供坚实的数字化底座。
