基于3D图像和仿真应对电池设计挑战

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锂离子和其他类型的电池对许多应用都至关重要,制造商需要创新采用更轻、更持久、更安全的能源技术满足消费者的需求。电池的改进有助于推动从智能手机到电动汽车的未来技术,Simpleware 软件可以帮助研究人员通过三维图像建模、工业CT和其他类型的数据应对这些挑战。 图:AAA电池的Micro-CT扫描 基于3D图像和仿真优化电池性能 利用micro-CT和FIB-SEM等3D成像技术扫描电池,获得其独特的结构。根据这些数据,可以在微纳尺度分析离子分布、不同材料间的相互作用和孔隙率等特性,研究电池性能并识别缺陷,从而改进设计决策。 Simpleware提供的软件环境能够可视化、处理、分析电池图像数据,导出可用于模拟的有限元网格和3D打印文件。该软件可为用户提供许多关键优势: 创建复杂材料几何结构的详细模型,探索对性能的影响;通过计算模拟测试的途径作为补充,潜在地减少对昂贵实验测试的依赖;用户界面友好,可生成直接用于仿真的严密网格;依据工作流程的自定义设置和脚本选项。 Simpleware软件在电池建模中的一些常见应用包括: 电池内部结构的可视化图像的统计分析,如孔隙率创建用于仿真的高质量FE / CFD网格通过设计件与制造件的偏差分析识别缺陷有效材料性质(刚度、渗透率等)的计算 案例:AAA电池 图:Simpleware软件中AAA电池数据的分割 通过查看从标准现成的AAA电池中提取的信息,我们可以了解到Simpleware软件如何帮助处理电池的3D图像数据,本例为在Simpleware软件中处理由Micro Photonics提供AAA电池的micro-CT数据。使用不同技术获得的各种信息,如: 导入和可视化未经处理的2D和3D图像数据,通过将灰度信息映射为彩色和不透明度进行3D渲染,使用聚焦对比度突出感兴趣的特征。自动和手动的分割方式识别特征,包括阈值、Flood Fill、区域生长和Otsu操作,使用形态学、平滑和局部校正滤波器提升分割质量。采用Simpleware的局部校正滤波器处理大规模数据集,如电池这样的数据。先大幅缩减取样的扫描进行粗略分割,然后再转换为对全分辨率扫描应用滤波器。这样可以进行快速的初始处理,同时通过考虑灰度变化以减少射束硬化伪影的影响。获取测量数据,包括点/距离/角度、体积统计和中心线分析,以及面向对象的边界框、壁厚分析、原始形状自动拟合等高级测量选项。 图:在Simpleware软件中对AAA电池数据进行的一些测量和统计 在Simpleware软件中处理电池数据时,更重要的功能之一是用于质量控制的数据集配准和表面对比。任何类型的数据都可以使用手动标注和自动的方法进行对齐和比较,比如图像对图像、CAD对图像、CAD对CAD。 图:Simpleware软件中的数据集配准:扫描分割出的电池集电器与理想集电器CAD模型的对比(左);配准表面的偏差分析(右) 该项技术能够可视化表面偏差、统计信息和原始数据,从而研究电池的CAD设计与传统制造或增材制造版本的不同,以及将如何影响性能。 视频:Simpleware软件中AAA电池的可视化与分割 用户成功案例 其他Simpleware软件应用于电池建模的一些案例,包括滑铁卢大学、阿克伦大学、卡耐基梅隆大学、印第安纳大学和普渡大学的研究,如锂离子电池异质微观结构的分析。这项应用研究了锂离子电池LiFePo4电极的微观结构,由nano-CT重建模型,导出到COMSOL Multiphysics模拟不同放电速率下的阴极性能。通过这项工作,研究人员可以更好地了解锂离子在电池电极真实微观结构中的空间分布如何影响性能。 视频:在Simpleware ScanIP中由nano-CT数据重建锂离子电池 关于使用Simpleware软件的其他项目,如帝国理工学院和伦敦大学学院开展固体氧化物燃料电池寿命与降解方面的工作,研究电池在纳米和微观尺度上与热、电化学和应力因素的关系。Simpleware软件为处理图像数据和导出用于仿真的网格模型提供解决方案,使研究人员能够探索不同尺度下燃料电池的寿命和降解,表征不同阶段主应力和界面。 参与该项目的Farid Tariq博士描述了Simpleware Software如何“成为工作流程的一部分,提供了可能难以通过实验测量获得一些结果的见解,这些可能就是性能退化的来源及微结构优化的目标区域”。 图:固体氧化物燃料电池的三维重建:绿色的孔隙和透明的陶瓷 鉴于采用成像捕获电池具体细节这项技术的潜力以及运算能力的增长有助于实现更真实的模拟,这些工作流程对电池行业只会越来越重要。 参考 致谢和更多信息参考英文原文:https://www.synopsys.com/simpleware/news-and-events/battery-modeling-solutions.html

Super-B 作为 碱金属(Li、Na 和 K)离子电池阳极的计算研究(Journal of The Electrochemical Society 2022)

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最近储能系统已成为未来研究的焦点。根据最近报道的super-B的特点,巴基斯坦古吉拉特大学与旁遮普大学的研究者们,正在探索碱金属(Li、Na和K)离子电池的阳极材料。吸附碱金属(Li、Na和K)浓度后,Super-B的金属行为甚至保持在最大水平。在Super-B上吸附金属离子的所有位点中,中空位点似乎是最有利位点。碱金属在Super-B上的吸附产生3718 mhA/g的最大理论容量,碱金属(Li、Na和K)修饰的Super-B的开路电压(OCV)分别为0.35、0.81和1.39V。 此外,对于Li和K沿H-T-H,计算得到的扩散势垒较低,分别为0.14 eV、0.44 eV,而对于Na沿着H-B-H位点,计算得到的扩散势垒为0.16eV。低OCV、超快扩散势垒和高比理论容量,表明新发现的Super-B是非常有前景的金属离子电池阳极候选材料。 参考文献: Dr, Muhammad Isa Khan1, Maida Anwar2, Abdul Majid2, Muhammad Shakil2 and Muhammad Rizwan, Computational Studies of Super-B as Anodes for AM (Li, Na, and K) Ion Batteries, Journal of The Electrochemical Society 2022

卤代羧酸盐作为稳定和可持续钠离子电池的有机阳极(ACS Appl. Mater. & Interfaces 2022)

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有机材料作为钠离子电池 (NIB) 的阳极具有竞争力,因为它成本低、资源丰富、环境友好且可持续性高。美国乔治梅森大学与阿贡国家实验室的研究者们,合成了三种卤代羧酸盐基有机阳极材料,以探索卤素原子(F、Cl和Br)对NIB中羧酸盐阳极电化学性能的影响。氟化羧酸盐阳极,2,5-二氟对苯二甲酸二钠(DFTP-Na),在高比容量(212 mA H/g)、长循环寿命(300次循环)和高速率能力(高达5 A/g)方面优于其他含H、Cl和Br的羧酸盐阳极。 实验结合AMS软件第一性原理计算结果表明,DFTP中的两个F原子降低了溶解度,增强了循环稳定性,并在氧化还原反应期间与Na+相互作用,从而在NIB中形成了高容量和稳定的有机阳极材料。这项工作证明了氟化羧酸盐化合物是开发高性能有机阳极的有效途径,用于稳定和可持续的NIB。 参考文献 Jinghao HuangKachief I. E. CallenderKaiqiang QinMichael GirgisMikell PaigeZhenzhen YangAndre Z. Clayborne*Chao Luo*, Halogenated Carboxylates as Organic Anodes for Stable and Sustainable Sodium-Ion Batteries, ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, https://doi.org/10.1021/acsami.2c07383

染料敏化太阳能电池的BCL方法:基础与应用(Appl. Sci. 2022)

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BCL是理解和预测染料及其在太阳能电池中效率的一个理论框架,最近的一篇论文全面介绍了这种方法:它基于一组方程,使用TDDFT获得染料敏化太阳能电池效率的整体效率指数(Global Efficiency Index,GEI);GEI通过三个因子乘积得到:可用注入能量(F1)、注入电荷量(F2)和再生效率(F3)。迄今为止获得的结果表明,与实验光转换效率(PCE)有良好的相关性。此外,该方法还提供了理论工具,使研究者能够理解电池的运行情况,以及优化电池的关键。 要点: 与实验结果匹配的很好所有计算使用AMS软件ADF模块完成,使用OPBE泛函、SAOP模型势提出了在锂太阳能电池领域的应用和改进颜料的开发运行BCL计算简明手册 参考文献: M. Barrera, I. Crivelli, B. Loed, The BCL Method for DSSC: Basis and Applications,  Appl. Sci. 12, 2358 (2022) 

基于图像的锂离子电池电极建模

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概述 锂离子电池(LIBs)的异质结构影响性能来自于界面处的表面积、扩散路径和活性材料连通等。本研究使用 Simpleware 软件基于 nano-XCT 图像重建 LIB 的 LiFePO4(LFP)电极微观结构,然后将网格划分后的三维模型导出至 COMSOL Multiphysics中进行有限元分析。结果表明,与一般的均质模型相比,电极的非均匀性提供了更广泛的物理和电化学性能。 特点 基于真实的三维微观结构数据模型 采用 nanoXCT(每侧5μm)扫描商用 LFP/石墨电池样品 在 Simpleware ScanIP 中采用阈值方法快速分割图像数据 使用 Simpleware FE 生成网格并导出至 COMSOL Multiphysics 与传统的均质一维模型相比,对 LFP 性能的预测更为准确 电极结构重建 首先对商用 LFP /石墨电池中的 LiFePO4(LFP)样品进行拆解并用 nanoXCT 扫描。将得到的二维堆层导入 Simpleware ScanIP,应用阈值技术对其进行分割,将灰度堆层转换为二元堆层结构。该过程包含从扫描中分割出活性材料颗粒和孔-PVDF-碳区域。如果活性材料的重量百分比较高,则碳材料和聚合物粘结剂随机分布在电极中。为了重建连续的固体基质,假设碳材料随机分布在活性材料之间提供电子通路。在活性材料区域中,使用 Simpleware ScanIP 的几何结构闭合过滤工具,将相邻的活性材料融合在一起。 图:在 Simpleware ScanIP 中重建 nanoXCT 图像数据   利用 Simpleware FE 生成网格模型后直接导出至 COMSOL Multiphysics®,求解与所开发的 LIB 多尺度模型相关的偏微分方程。在微观尺度上,模型是基于真实的三维微观结构数据,利用宏观尺度上传统的均质一维模型表征放电/充电性能。这种框架被用于 […]

AMS在电池材料模拟与设计中的应用

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概述 AMS 包含 DFT、DFTB、ForceField 等尺度级别的原子级材料模拟方法和大量材料学模型构建和性质分析模块,特别适合分析如电池材料等复杂材料体系的性质。AMS 在研究电池材料方面有如下功能特点: 材料模型与数据库 晶体、缺陷、表面、界面等建模工具 内置数据库中导入结构模型,以及外部数据库数据读入 复杂材料模型 随机均相、非均相混合物 交联聚合物材料的聚合反应与交联率 聚合物力学性质分析 超大体系与电解质等复杂体系 ReaxFF反应分子动力学,包含电池相关的多种力场 Apple&P极化力场,模拟带电体系,如电解质(例如电池中的电荷迁移率)、离子液体等 支持用户使用MCFF、CMA-ES、ParAMS等方法自建、优化力场 方便地通过GUI模拟离子扩散、放电过程电压特性、材料分解、固态电解质界面形成、溶剂化与反应 基于DFT的键能分解分析(EDA)深刻理解分子间的相互作用 高效率高精度的第一性原理计算 密度泛函理论(DFT) 使用杂化泛函( HSE06、HSE03),更精确的计算电子结构,结合能和扩散势垒 对大体系计算,与平面波基组相比,使用 LCAO 基组可将速度大大提高倍,从而实现高效的大规模模拟 使用色散修正泛函,更精确的模拟结合能,找到吸附位点 基于DFT与COSMO-RS计算精确氧化还原电位 表面性质研究工具 比平面波方法高效的Slab模型 特别适合研究表面吸附,以及在电场情况下的表面物理化学性质 基于键能分解分析pEDA,分析表面成键 表面吸附产物分析工具 统计表面吸附产物数量变化 研究案例和发表文章 锂离子电池锂-电解液的溶剂化与反应(J. Chem. Phys. 2020) 锂锂离子电池溶剂与添加剂还原分解形成固态电解质界面(J. Phys. Chem. C 2020) 锂离子电池中碳酸乙烯酯(EC)分解(J. Phys. Chem. C 2016) 锂硫电池放电过程的电压特性(Phys. Chem. Chem. Phys. 2015) 锂离子在阴极材料中的扩散系数(Phys. […]

离子电池和储能材料研究案例集(三)

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更多相关文章: QuantumATK在电池/储能材料中的应用 离子电池和储能材料研究案例集(一) 离子电池和储能材料研究案例集(二) 离子电池和储能材料研究案例集(三)(本文) 多孔石墨:一种很有前途的锂离子电池超高储能负极材料 锂离子电池最具商业价值的负极仍然是石墨,但其锂离子储存量仅为 372 mA h/g。为了提高本征石墨负极(IGA)的性能,作者用从头算方法研究了三种空穴密度(35%:HGA35、46%:HGA 46 和 61%:HGA61)的多孔石墨负极(HGA)。值得注意的是,HGAs 的最大锂离子储存量高达 714-1689 mA h/g,是 IGA(372 mA h/g)的 4.5 倍。此外,锂离子的面内扩散势垒也从 0.57eV (IGA)降低到 0.35-0.42 eV(HGAs),表明锂离子的扩散速率较高。多孔结构可以打开一个额外的平面外锂离子扩散通道,扩散势垒仅为 IGA 扩散势垒的五分之一,这意味着在应用中加速了充放电过程。作者还证明了在吸附最大 Li 浓度时,HGAs 的表面积变化率相对较小,小于3%-14%。因此,多孔结构是改善锂离子电池石墨负极性能的有效途径。 相关文章:Electrochimica Acta 346 (2020) 136244 硅烯/氮化硼-范德华异质结构作为钠离子电池超快离子扩散负极材料 本文利用第一性原理方法对范德华(vdW)异质结作为负极材料进行了广泛的研究。通过 BN 与 Silicene 的协同作用,证明Silicene/BN-vdW 异质结构对于钠离子具有较低的扩散势垒、离子迁移率和较高的力学稳定性。同时,还可以保持高存储容量。所有这些结果表明,该复合体系作为 NIBs 的商业负极材料具有很高的潜力。 相关文章:Physica E 122 (2020) 114146 储能用硅纳米线对锂和钠的吸附和扩散的第一性原理研究 本文用密度泛函理论(DFT)计算了 Li/Na 在含衬底的 Si […]

离子电池和储能材料研究案例集(二)

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离子电池和储能材料研究案例集(一)

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工业聚合物制备锂离子电池新型电极材料的理论筛选(Ionics, 2019)

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有机聚合物具有较低的溶解性、较低的自放电速率、较高的机械强度、较高的柔韧性、优异的热稳定性和通用性,有可能成为锂离子电池的电极材料。 北京工业大学孙少瑞课题组计算了文献报道的11种锂离子电池的聚合物电极材料的 ΔEpoly,并与实验值线性拟合得到经验公式: 然后利用半经验公式对未知材料进行预测。考虑到材料的电位、容量和带隙,选择了三种理想的电极材料(16、17、23)。通过对这三种理想电极材料进一步研究发现,LUMO能量越低、杂原子/取代基的电负性越强、材料的电位越高,越有利于设计新型聚合物电极材料。 本文采用AMS软件中的BAND模块完成计算,对于一维周期性体系的计算,由于基组和周期性边界条件的差异,BAND的计算效率与精度,均高于平面波程序。 Huili Lu, Jun Yu, Ge Chen, Shaorui Sun, Theoretical screening of novel electrode materials for lithium–ion batteries from industrial polymers, Ionics (2019)