锂电池电极建模：基于 CT vs DFN 模型

Posted · Add Comment

概述 随着电池制造业持续发展以应对交通电动化需求，企业获得加速电池设计与优化进程并降低成本等商业优势的同时也承受着日益增长的压力。新型材料和应用频繁且往往出人意料地涌现使快速优化锂离子电池（LIB）设计对制造商来说极具挑战性，必须摆脱对试错法的依赖，转向包括采用数学建模的更高程度自动化。 LIB 建模的基准模型 Doyle-Fuller-Newman（DFN）框架基于物理的连续介质模型且融合了多孔电极理论，而基于 CT 扫描图像重建的三维模型能够捕捉颗粒的真实几何形状。本研究基于 CT 和 DFN 框架创建锂镍锰钴氧化物（NMC）、磷酸铁锂（LFP）的微观结构模型，模拟不同厚度的电极在不同放电倍率下的电化学性能并进行比较。 图像处理和模拟 本研究中的 LFP 电池为实验室制造，使用电池循环仪（LBT21084）测试 20 ℃ 下的纽扣电池。采用 Nano-CT 设备对 NMC 和 LFP 电极进行扫描，在 Simpleware 软件中对扫描获得的图像数据进行分割、网格划分、测试网格灵敏度，将生成的四面体网格模型导入 COMSOL 软件模拟。结合等离子体聚焦离子束显微镜（PFIB）和二次离子质谱仪（SIMS）在 LFP 电极横截面上对 7Li+ 进行精确的横截面和空间映射。 NMC 和 LFP 中颗粒均呈现正偏态分布，LFP 颗粒平均半径（0.4 μm）显著小于 NMC 颗粒（4.9 μm），LFP 的 CT 子体积内颗粒总数（90 μm 厚电极内含 392 个颗粒）远高于 NMC 的 CT 子体积（80 μm厚电极含 172 个颗粒）。由 NMC 电极的 CT 模型可以获得 CBD 与电解质的体积分数。而对于 LFP 电极，由于 X 射线 CT 的分辨率限制无法捕捉更精细尺度的 CBD 微观结构，因此采用与 P2D DFN 模型类似的均质化方法建模，即在整个域内使用 CBD 与电解质体积分数的平均值。 图：由 CT […]

Read More

层状InOCI作为锂、镁和铝离子电池阳极材料的第一性原理研究（Battery Energy 2025）

Posted · Add Comment

摘要 最近巴基斯坦古吉拉特与意大利坎帕尼亚大学、阿联酋阿布扎比大学、沙特国王大学、意大利罗马大学的研究者们，报告了氯氧化铟（InOCl）作为有前景的电极材料，在可充电锂离子电池（LIB）、镁离子电池（MIB）和铝离子电池（AIB）中的应用。作者基于 AMS 中的 BAND 模块，使用密度泛函理论（DFT）和从头计算分子动力学（AIMD）计算仔细研究了 InOCl 的阳极性质，以探索其结构、电子、输运和电化学特性。 结果表明，InOCl 比商用阳极材料储存更多的金属离子。LIB、MIB 和 AIB 的充电容量分别为 3604、4700、2820 mAhg−1，这表明 InOCl 可能是一种非常有能力的阳极材料。主体材料的开路电压分别为 Li 2.05V、Mg 1.7V 和 Al 0.95V。LIB、MIB和AIB的体积膨胀分别计算为9.12%、3.6%和15.5%，这表明主体在充电/放电循环过程中具有抗膨胀的弹性。基于锂离子、镁离子和铝离子的扩散动力学和过渡势垒，研究了主体的电化学性能。LIB、MIB 和 AIB 的最小能垒分别计算为 0.20、0.80 和 0.44eV，而扩散系数值分别计算为1.14×10−9、1.1×10–11 和 0.88×10-9m2/s。此外，离子电导率的相应值分别计算为 10.32×10−2、1.1×10−2和 8.50×10−3 S/m。 参考文献 Uncovering the Potential of Layered InOCI as Anode Material in Lithium, Magnesium, and Aluminum Ion Batteries: First‐Principles Investigations, Battery Energy, […]

Read More

极端条件下运行的锂金属电池的合理电解质设计（Journal of Materials Chemistry A, 2024）

Posted · Add Comment

摘要 开发能够在极端条件下运行的锂金属电池电解质是一项重大挑战，并且往往因缺乏系统的溶剂筛选研究而受到阻碍。在这项研究中，通过 DFT 和 COSMO-RS 计算，来评估包含20种溶剂的190种二元混合物，以识别具有宽液体温度范围和高LiTFSI溶解度的电解质。四亚甲基砜（TMS）因其高沸点和低熔融焓而成为一种有前景的候选者，这会提高混合物中的泡点并降低共晶温度。利用具有七个σ描述符的机器学习模型，精确预测了Li和TFSI离子结合能。这些结合能主要受到强静电和范德华相互作用的影响。这种综合方法突出了DFT、COSMO-RS和机器学习技术相结合在指导电解质设计方面的有效性。 参考文献 Rational electrolyte design for Li-metal batteries operated under extreme conditions: a combined DFT, COSMO-RS, and machine learning study, J. Mater. Chem. A, 2024, 12, 15792

Read More

通过生成对抗网络为异质和拓扑复杂的 3D 材料创建微观结构

Posted · Add Comment

本研究采用由 Xe 等离子聚焦离子束扫描电子显微镜（Xe PFIB-SEM）获取的大尺寸 3D 微观结构数据集，通过生成对抗网络（GAN）框架学习和生成固体氧化物燃料电池电极的 3D 微观结构。利用有限元分析进行电化学性能模拟，并与基于晶粒的生成算法（DREAM3D）进行对比。机器学习模型能够以高保真度重建微观结构，使其成为 ICME 工具集中有价值的补充。

Read More

扭转hBN/NbSe2异质结构的电子特性及其在锂离子电池中的应用：第一性原理研究

Posted · Add Comment

简介 可用作锂离子电池电极的二维（2D）材料多种多样，但很难有单一材料可以满足所有的综合性能需求。因此，研究的一个努力方向为设计异质结构，从而实现在单一母体结构中不存在的特性。这篇论文报道的工作中，作者设计了一种由导电的2D NbSe2层和绝缘的六方氮化硼（h-BN）制成的范德华异质结构作为锂离子电池中的电极，并考查两种材料层间扭转角度的影响。异质结构实现了金属特性，这使得本来绝缘的h-BN能够应用于电池。吸附位点随扭曲角度的不同而变化。对于5.21°和54.79°的扭转角，H位点是最有利的吸附位点，但对于所有其他扭转角，T位点仍然是最有利吸附位点。当表面之间的角度为19.11°时，在不同的扭曲角度下，与所有其他配置相比，异质结构表现出更好的稳定性。与单个单层相比，吸附能得到增强，表明嵌入效果更好。在19.11°的扭曲角下，结构显示出0.6eV的最小扩散势垒，而在所有其他扭曲角下显示出0.9eV的势垒。开路电压为0.62 V。该结构显示出185 $ \mathrm{mA}~\mathrm{h}~\mathrm{g}~\mathrm{m}^{−1}$的比容量。 研究内容 作者使用 QuantumATK 中的原子轨道线型组合（LCAO）基组方法的DFT对这种异质结构进行了详细的研究。使用 QuantumATK Builder 中的 Interface 工具可以构造任意材料之间的界面，控制晶格试配情况、超胞原子数和晶格张力，并比较了不同扭转角度的结构特征，以及在锂离子嵌入后结构的变化情况，确认19.11°为最好的扭转角度，并研究了扭转角度为 19.11 度时锂离子的嵌入吸附位点。作者通过结构的结合能、形成能以及第一原理的动力学说明了这些结构的稳定性。由体系的吸附结构状况、离子吸附能等信息可以计算出理论的比容量和开路电压。 采用电子分布、电荷布居和态密度投影等手段可以分析锂离子吸附后的构型的电子态。 采用CI-NEB方法可以计算锂离子在其中不同位点间的扩散能垒。 QuantumATK简介 以上是 QuantumATK 在电池材料研究中的一个入门级案例，供材料学计算模拟的初学者参考。实际上，QuantumATK 是一个全集成、全功能的材料与器件模拟平台，用户可以通过友好的图形界面可以直接使用以上多种计算引擎进行材料学模拟研究。QuantumATK 完全基于 Python 开发，用户可以直接编程混合使用其中专有的 Python 类型和更多的开源模块进行二次开发，丰富自己的研究工具箱。 QuantumATK 在整合和改进传统计算方法引擎和材料性质计算模块方面进行诸多有益的尝试，为全流程的材料计算模拟准备好了必要的工具。自有的密度泛函理论（DFT）方法算法可以更好的的平衡计算量和精度，常规DFT计算可以直接模拟数千原子的超大体系，杂化泛函计算速度提升百倍，可以直接计算千原子体系；机器学习力场方法可以在图形界面上操作，实现训练、验证、主动学习和力场应用的全部流程；在性质计算方面，QuantumATK 包含多种复杂物理模型，提供力、光、热、电、磁、电输运等性质的计算模块；独特的双电极器件与栅极器件模型可以直接计算复杂异质结构的伏安特性和转移特性等，是研究纳米电子器件的有力工具；在聚合物材料、电池材料等多领域都提供特殊的模型和方法，更好的模拟贴近实际的材料体系。 更多信息参看费米科技官网： https://www.fermitech.com.cn/quantumatk 参考 Sahoo, S., et al. Electronic Properties of Twisted hBN/NbSe 2 Hetero-Structure and Its Application as an Electrode in Lithium-Ion Battery: […]

Read More

ReaxFF新力场：全无机卤化物钙钛矿中卤化物混合的原子效应

Posted · Add Comment

摘要 金属卤化物钙钛矿已成为光电应用中极具前景的材料，其卓越的性能使其成为太阳能电池和LED的理想候选材料。现有的钙钛矿组合物通常涉及不同离子的混合，目的是针对特定应用，对材料的光电性质和稳定性进行微调。为了理解离子混合的原子效应，埃因霍温理工大学和宾夕法尼亚州立大学的研究人员开发了一种用于大规模分子动力学模拟的无机金属卤化物钙钛矿（CsPbX3，X=Br 或 I）的 ReaxFF 力场[1]。 研究人员利用 DFT 计算生成的参考数据集，使用 AMS 软件中的 ParAMS 参数化功能，基于先前开发的 CsPbI3 的力场（该力场有助于研究体材料降解反应[2]以及表面和晶界的影响[3]），对该力场进行了扩展， 得到了新的无机卤化物钙钛矿的 ReaxFF 力场[4] CsPb(BrxI1-x)3 ，新开发的 I/Br/Pb/Cs 参数集首次对 Br 进行描述。在包括状态方程、混合焓、降解反应和缺陷迁移能垒在内的各种基准测试中，该力场表现良好。在分子动力学模拟中，该力场可以准确地再现材料的有限温度效应，例如无机钙钛矿的各种体相之间的相变。 使用新的力场参数，研究人员确定，由于 I 和 Br 离子的尺寸失配，卤化物混合对材料中八面体的相变温度和倾斜动力学有着深远的影响。利用卤化物混合的稀释极限（即取代钙钛矿晶格中的单个卤化物），确保这种效应是非局部的，距离混合位点高达两纳米。混合效应的非局部性，解释了为什么少量卤化物混合会对材料性质（如相变温度）产生很大影响。新的 ReaxFF 力场参数，为大型现实体系通过原子模拟，进一步探索无机混合卤化物钙钛矿的复杂动力学铺平了道路。 参考文献 Pols, M.; van Duin, A. C. T.; Calero, S.; Tao, S. Mixing I and Br in Inorganic Perovskites: Atomistic Insights from Reactive Molecular […]

Read More

电池与能源材料研究案例集（五）

Posted · Add Comment

浓度驱动的磁相变对 VSe2 单层吸附和扩散的影响：对锂离子电池的启示 二硒化钒 $\mathrm{VSe}_2$ 单层是一种二维（2D）磁性材料，在室温下表现出铁磁有序性和卓越的金属离子存储能力，使其在自旋电子学和能量存储应用中有用。然而，二硒化钒的磁性和电化学性质之间的稳健相关性仍有待建立。在本研究中，进行了第一性原理密度泛函理论计算，以研究增加锂离子浓度对二硒化钒单层的磁性能，特别是磁性基态的影响。结果表明，随着二硒化钒单层表面Li离子浓度的增加，发生了磁性相变，导致从本征铁磁（FM）态转变为反铁磁（AFM）和非磁性基态。对铁磁和反铁磁二硒化钒单层的扩散特性的分析表明，与FM态相比，AFM态的Li离子扩散能垒显著增加（~71%）。这意味着 FM-$\mathrm{VSe}_2$ 比 AFM-$\mathrm{VSe}_2$ 促进相对更快的Li离子扩散。因此，锂离子浓度诱导的二硒化钒单层中的相变导致了可变的吸附和扩散特性，这将对其在锂离子电池负极中的应用具有重要意义。 Nair, A. K.; Silva, C. M. D.; Amon, C. H. Effect of Concentration-Driven Magnetic Phase Changes on Adsorption and Diffusion in VSe2 Monolayers: Implications for Lithium-Ion Batteries. Applied Physics Letters 2023, 123 (18), 183901. https://doi.org/10.1063/5.0174707 CrXY（X/Y=S，Se，Te）单层膜作为锂和钠离子电池高效负极材料的第一性原理研究 在过去的十年里，二维（2D）材料在储能领域引起了极大的兴趣。大规模电化学储能是基于金属离子在具有范德华间隙的层状材料中的嵌入。在这项工作中，通过第一性原理计算，作者探索了使用2D Janus过渡金属二硫族化合物（TMDs）CrSSe、CrSTe 和 CrSeTe 作为锂和钠离子电池的负极材料。使用密度泛函理论（DFT）计算来检验其电子性质和电化学性能。作者的研究表明，锂在短的扩散距离内易于扩散，并且更倾向于与单层有效结合。这些结构在其裸露相中是金属的。CrSSe、CrSTe 和 CrSeTe 显示的最高吸附能分别为−1.86 eV、−1.66 […]

Read More

离子导体相对于电子导体在固体氧化物燃料电池阴极中渗透的优势

Posted · Add Comment

概述 固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种极具吸引力的电化学装置，可以直接有效地利用燃料的化学能发电。SOFC 在相对高温（600–1000 ℃）下工作，可实现较高的燃料灵活性，并通过热电联产系统中的废热回收提高效率。为充分发挥潜力，SOFC 需要进一步改进，在经济上与传统能源转换技术竞争，包括提高其耐用性和可靠性。 渗透是在预制电极骨架内生成具有特定性质（如特定电导率或电催化作用）纳米级固体的过程。渗透改变了电极的局部形态，对电化学反应位点的数量和/或质量和电荷传输具有积极的影响。在实验上，很难直接确定局部电化学如何受到影响和在相关长度尺度（几十微米量级）上以适当的分辨率（纳米量级）量化电化学活性位点的 3D 分布。 为了解纳米级渗透如何影响性能，需要能够模拟许多相对较大体积 3D 微观结构的计算工具。本项目通过研发的高通量开源仿真代码 ERMINE 对 55 种不同的阴极微观结构进行有限元模拟，探索 SOFC 中离子导体和电子导体作为渗透物的差异。 图1：从分割图像数据到模拟的计算工作流程 亮点 对渗透 SOFC 阴极进行电化学 HPC 模拟。 离子导体的渗透比电子导体更能提升性能。 离子导体将在 TPB 处产生的电流重新分布到整个电极上。 再分布降低了 TPB 处的局部欧姆过电势，增加了局部活性。 原始微观结构更能显著影响整体性能。 图像处理 采用商业阴极结构的图像数据进行 3D 重建，原始数据尺寸为 126 × 73 × 12.5 μm3，体素为 55 × 55 × 50 nm3，基于灰度值将其分割为氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）、镧锶锰氧化物（LSM）和孔隙。从完整模型中随机提取五个尺寸为 10 × 10 × 7 μm3 的较小微观结构子体积，记为 BB_i （i = 1-5）。为更精准地分割出三相界面（TPB），通过重采样调整分辨率，将原有的 1 个体素由 8 个相同的更小体素组成。 对五个微观结构进行人为地渗透，随机选择与 LSM 和 YSZ 表面接触的一定比例孔隙种子。将渗透相（LSM […]

Read More

离散元方法和通过 X 射线计算机断层扫描表征的锂离子正极结构电化学建模

Posted · Add Comment

概述 锂离子电池因其高容量、高功率的优点，在储能领域发挥着至关重要的作用，广泛用于电动汽车和便携式电子产品等。电动汽车的快速发展要求高能量密度、高循环寿命和低成本，进一步改进制造工艺和电极设计仍然存在挑战。 在电极制造过程中，压延工艺是定制电极微观结构的关键步骤。在本研究中，使用离散元法（DEM）和粘结颗粒模型研究压延过程对电极微观结构的影响，对使用 X 射线计算机断层扫描（XCT）表征的真实电极结构和理想化 DEM 结构进行综合评估，计算分析基于断层扫描和 DEM 的电极结构及输运特性，即孔隙率分布、比表面积和曲折因子。在考虑碳粘合剂域（CBD）相之后，进一步分析电化学性质。 亮点 对基于高分辨率 XCT 表征和 DEM 的锂离子电池阴极结构进行评估在 Simpleware 软件中生成高质量的四面体网格，将网格模型导入 COMSOL 中进行仿真考虑不同的压延水平和 CBD 相，分析电化学性能 方法 图像处理 电极结构由 96 wt% LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2（NMC622，BASF）、2 wt% C65 炭黑（Imerys）和 2 wt% PVDF（Solvay）配制，使用带有 MTI MSK-HRPMR100DC 压延设备的辊压机将干燥的电极压延两次。通过 XCT 对阴极结构进行表征，采用未压延结构和压延结构与 DEM 预测进行比较。使用基于机器学习的图像分析工具 Ilastik 预测扫描图像中不同相的体积分数，即 AM 颗粒相、CBD 相和宏孔相。 原始扫描图像（图a）经过过滤和二值化后获得 AM 颗粒相（图b），进行分割处理分离和标记单个 AM 颗粒（图c），并获得其各自的体积和坐标。在 DEM 模拟中，阴极结构内的颗粒近似为球形颗粒（图d）。 图1：AM 颗粒相的图像处理步骤 DEM […]

Read More

电池和储能材料研究案例集（四）

Posted · Add Comment

石墨烯包覆锗作为锗空气电池负极增强电池性能 锗空气电池作为一种新型的半导体空气电池，以其良好的安全性和理想的动力学性能而备受关注。然而，Ge 空气电池在放电过程中也面临着一些挑战，如 Ge 负极的钝化和自腐蚀。本工作通过等离子体增强化学气相沉积制备了 Ge/石墨烯复合负极，并首次详细展示了硬币型 Ge 空气电池的性能。与用裸 Ge 负极制备的Ge 空气电池相比，使用 Ge/石墨烯负极的电池表现出更长的放电时间，提高了38.9%–90.3%，功率密度也更高。石墨烯的引入使得 GeO2 能够均匀沉积，并减轻放电过程中界面处的钝化。此外，第一性原理计算表明，Ge/石墨烯的界面耦合抑制了 H2O 在负极表面的扩散和 GeO2 团簇在负极表面上的积累。本研究采用石墨烯包覆的锗作为负极，缓解了锗空气电池的钝化和自腐蚀问题，为锗空气电池未来的发展提供了新的机遇。 Zhao, T.; Zhang, Y.; Wang, D.; Chen, D.; Zhang, X.; Yu, Y. Graphene-Coated Ge as Anodes in Ge-Air Batteries with Enhanced Performance. Carbon 2023, 205, 86–96. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.01.020 基于聚合物水凝胶的、具有 2.5V 宽的工作电位窗和高能量密度的准固态钠离子超级电容器 本工作报道了一种准固态钠离子基不对称超级电容器（ASC）器件，该器件使用氮掺杂的还原氧化石墨烯（NrGO）和硼掺杂的还原氧化石墨烯（BrGO）电极。通过基于密度泛函理论（DFT）的电极量子电容的计算研究，完成了正极（负极）的 NrGO（BrGO）的选择。纳米纤维素由于其可生物降解性、增强的润湿性、良好的离子渗透性和低成本而被用作电极粘合剂。NaClO4-PVA 基水凝胶膜是所制造的器件中的无隔膜准固态凝胶电解质。NrGO||BrGO ASC 器件的比电容为 251.2 F […]

Read More
 

  • 标签

    3D打印 ABAQUS ADF AMS ATK Workshop BAND COSMO-RS DES DFT EDA EDA-NOCV NanoLab NMR NOCV OLED QATK Highlight QuantumATK reaxff Simpleware SOC SOCME TADF TDDFT ZORA 二维材料 催化 分子动力学 半导体 反应分子动力学 太阳能电池 密度泛函 工业 微电子 数字岩石 深共晶溶剂 溶解度 热解 燃烧 电声耦合 能量分解 自旋轨道耦合 迁移率 钙钛矿 镧系元素 骨科

  • 关于费米科技

    费米科技以促进工业级模拟与仿真的应用为宗旨，致力于推广基于原子级别模拟技术和基于图像模型的仿真技术，为学术和工业研究机构提供研发咨询、软件部署、技术攻关等全方位的服务。费米科技提供的模拟方案具有面向应用、模型新颖、功能丰富、计算高效、简单易用的特点，已经服务于众多的学术和工业用户。

    欢迎加入我们！（点击链接）

  • 最近更新

  • 联系方式

    • 留言板：点击留言
    • 邮箱：sales_at_fermitech.com.cn
    • 电话：010-80393990
    • QQ： 1732167264

  • 订阅费米科技新闻

    • 邮件订阅：
      您可以使用常用的邮件地址接收费米科技定期发送的产品更新和新闻。
      点击这里马上订阅！
    • 微信订阅：
      微信扫描右侧二维码。
    •