电极制造模拟-电化学性能预测的总体仿真过程：粗粒化分子动力学（CGMD）模型用于浆料制备和电极干燥过程介观结构的生成。为了使计算成本最小化，每个AM粒子用一个球体表示，粒径满足高斯大小分布。溶剂、粘合剂和碳的混合物简化为微米大小的CBD粒子。通过CGMD获得的三维电极介观结构划分网格，并平滑化提高网格质量。然后将这些结构导入了COMSOL多物理场模拟软件中进行计算，预测电化学性能。电极制造与微观结构模拟详细过程：锂离子电池极片制备及其对电化学性能影响的多尺度仿真。另外，电极微观结构模型如下视频所示： NMC111:炭黑:PVdF重量比为96:2:2的正极多相几何模型网格如图2所示，由五个子域组成：NMC活性颗粒（红色）、碳胶相CBD 颗粒（黄色）、隔膜（洋红色）、集流体（绿色）和电解液（黑色）。图2 电化学几何模型 3、模拟过程和结果将图2所示几何模型导入了COMSOL多物理场模拟软件中，根据GITT实验获得的开路电压曲线和锂离子扩散系数D输入模型，采用锂离子电池模块进行计算预测电化学性能。考虑碳胶相三种情况：（1）Blocking CBD：假设 碳胶相CBD完全阻止Li+传输；（2）Partially open CBD：部分开放的CBD（即包含一些微孔），假设微孔允许Li +传输，具有一定的有效扩散系数，其值比电解液本体中的小；（3）Fully open CBD：完全开放的 CBD ，允许 Li +的扩散，其扩散系数与电解质中的扩散系数相同，并且锂（脱）嵌入也可以发生在 AM/CBD 界面处。所有情况下，假定 CBD 电子电导率相同。 图3 (a) 模拟中使用的电极网格。绿色 区域代表锂箔，洋红色代表隔膜，红色代表 AM，黄色代表 CBD，黑色代表填充所有孔隙的电解质；(b) 在 GITT 模拟期间，电池电位（充电）演变；(c) 与实验相比，每种CBD 假设的OCV曲线；(d) 充电期间计算的实验和模拟得出的扩散系数D比较。图4 锂化状态x的横截面 2D 图和三个不同时刻在复合电极中的两个AM颗粒上锂化妆台。灰色 区域为CBD，白色 区域为电解质。 模拟结果如图3所示，三种情况下，GITT 模拟的OCV曲线具有相同的形状，但均低于实验曲线。CBD对扩散系数D大小的影响为：完全开放的CBD > 部分开放的CBD > 阻塞的CBD。由此可见，电极的微观结构对GITT计算的扩散系数是有影响的。由图4可知，锂固态浓度不均匀分布，尤其是在更大、更孤立的NMC颗粒中。此外，在部分开放CBD和阻塞CBD的情况下，在 CBD 相附近的区域中，与其他部分相比，可以发现活性颗粒的Li浓度增加。在这两种情况下，CBD 可防止固态克颗粒与电解质的界面锂脱嵌。相反，NMC 颗粒中产生不均匀的 Li 浓度梯度，这会影响D Li中观察到的差异（图3d）。因此，CBD 的阻塞性质越高，锂传输限制越高，而D越低。 参考文献：Chouchane M , Primo E N , Franco A A . Mesoscale Effects in the Extraction of the Solid-State Lithium Diffusion Coefficient Values of Battery Active Materials: Physical Insights from 3D Modeling. The Journal of Physical Chemistry Letters, 2020.
