基於 CT 影像的鋰離子電池電極建模
概述
鋰離子電池（LIB）的異質微觀結構透過提供一定的界面表面積、擴散路徑和活性材料連接性來顯著影響性能。 在這項工作中，基於 Simpleware 軟體中的 nanoXCT 影像重建了 LIB 的 LiFePO4 (LFP) 電極微觀結構，然後對 3D 模型進行網格劃分並匯出至有限元求解器進行有限元素分析 (FEA)。 結果表明，與常見的均質模型相比，電極異質性導致更廣泛的物理和電化學性能。
亮點
- 基於真實 3D 微觀結構資料的模型
- 使用 nanoXCT 掃描的商用 LFP/石墨電池樣本（每側 5 μm）
- 使用閾值在 Simpleware ScanIP 中快速分割影像數據
- 使用 Simpleware FE 產生網格並匯出到有限元求解器
- 與傳統同質一維模型相比，LFP 效能預測更準確
電極結構重建
首先對來自商用 LFP/石墨電池的 LiFePO4 (LFP) 樣品，使用 nanoXCT 進行拆卸和掃描。將獲得的 2D 堆疊導入 Simpleware ScanIP 中，並利用閾值技術進行分段，將灰階堆疊轉換為二進位堆疊，該過程包括從掃描中分割活性材料顆粒和孔-PVDF-碳區域，如果活性材料的重量百分比高，則碳材料和聚合物黏合劑隨機分佈在電極中。為了重建連接的固體基質，假設碳材料隨機分佈在活性材料中以提供電子連接，Simpleware ScanIP 中的活性材料區域使用形態閉合濾波器將相鄰的活性材料融合在一起。
圖：在 Simpleware ScanIP 中重建 nanoXCT 影像數據
然後使用 Simpleware FE 產生模型網格，並將其直接匯出到有限元求解器，以求解與開發的 LIB 多尺度模型相關的控制偏微分方程。 在微觀尺度上，模型基於真實的 3D 微觀結構數據，利用宏觀尺度上傳統的同質一維模型來表徵充放電性能。 此框架用於鋰離子電池的多尺度、多物理場研究。
在 Simpleware FE 中產生可用於模擬的體積網格並直接匯出到有限元求解器
鋰離子電池的電腦模擬計算結果
結果表明，該模型比傳統均質模型能夠更準確地預測 LiFePO4 正極在不同放電倍率下的實驗性能。
模擬結果可以預測不同倍率下 LFP 正極的實驗放電電壓，模擬表明在垂直於鋰嵌入路徑的橫截面積較小的區域中，電極活性材料結構中的鋰離子濃度要高得多，這種低面積區域將比平均濃度區域高約10倍。
本研究採用的方法可以對鋰離子在 LIB 電極微觀結構內部的空間分佈提供有價值的資訊。 與均質模型相比，LFP 的非均勻微觀結構為廣泛的物理和電化學性能創造了條件。
圖：不同 SOC 在 c-rate = 1 放電期間電極微觀結構內鋰濃度 (mol m-3) 的分佈（3D 電極微觀結構表示微觀尺度的幾何形狀，1D x 座標描述沿電極厚度方向的宏觀尺度的幾何形狀）。
（經《電源期刊》許可轉載，doi:10.1016/j.jpowsour.2015.12.134）
圖：不同 SOC 在 c-rate = 1 放電期間固體/電解質界面上的過電位分佈（單位：V）。
（經《電源期刊》許可轉載，doi:10.1016/j.jpowsour.2015.12.134）
參考資料
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