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 LIB 的多尺度-多物理研究。
图：在 Simpleware FE 中生成用于模拟的体积网格并直接导出至 COMSOL Multiphysics
计算模拟结果
结果表明，与传统的均质模型相比，该模型能更准确地预测 LiFePO4 正极在不同放电速率下的试验性能。模拟结果可以预测不同速率下 LFP 正极的试验放电电压。模拟结果显示电极活性材料结构中的锂离子浓度在垂直于嵌锂通道的截面面积较小的区域里更高。这种小截面区域的嵌入比平均浓度的区域高出约 10 倍。
本研究采用的方法可以对锂离子在 LIB 电极微观结构内部的空间分布提供有价值的信息。与均质模型相比，LFP 的非均匀微观结构为广泛的物理和电化学性能创造了条件。
图：不同 SOC 下，放电速率 c = 1 时电极微观结构内部锂浓度（mol m-3）的分布（3D电极微观结构表示微观尺度的几何结构,一维 x轴坐标描述沿电极厚度方向的宏观尺度结构）（原图由Journal of Power sources许可复制, doi : 10.1016/j.jpowsour.2015.12.134）
图：不同 SOC 下，放电速率c = 1时固体/电解质界面上过电位（单位：V）的分布。（原图由 Journal of Power sources 许可复制, doi:10.1016/j.jpowsour.2015.12.134）
参考文献
- A.G. Kashkooli, et al., 2016. Multi-scale modeling of lithium-ion battery electrodes based on nanoscale X-ray computed tomography, J Power Sources. doi:10.1016/j.jpowsour.2015.12.134.
- 致谢和更多信息请参考：https://www.synopsys.com/simpleware/resources/case-studies/batteries.html。
