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.