锂离子电池多尺度模拟在线开源平台：从制造工艺到性能预测
今天给大家介绍一个锂离子电池工艺-性能开源在线模拟平台。这个平台可以访问项目数据库，允许以交互方式可视化浆料、涂层、电极微观观结构及电池特性曲线，包括模拟和实验数据。还允许可视化电化学性能结果，所有结果均可免费下载。该工具还包括一个模拟的脚本语言集 合：参数化的粗晶分子动力学浆料力场（模拟浆料、涂布和辊压工艺）和三维网格划分INNOV程序，该程序允许复合电极3D网格微观结构用于电化学模拟软件。
该项目是由法国the Université de Picardie Jules Verne (UPJV)大学的 alejandro a.franco 教授带领的项目团队所开发的。文末点击阅读原文可访问在线平台。工作包1（WP1）包括开发、集成和演示建模工具，从而模拟锂离子电池制造过程中的不同工艺过程。粗晶分子动力学（CGMD）和离散单元法技术用于预测在溶剂蒸发和压延工艺中，浆料和电极介观结构的演变和材料化学与制造工艺参数（浆料组成、颗粒大小分布、，使用的溶剂类型、干燥温度和时间等）的关系。采用实验数据和机器学习算法参数化力场，描述浆料、涂层和压延工序中各材料组分之间相互作用。建模的终极目标是使这些模拟工具在各种材料化学体系方面具有通用性，他们对NMC、LiFePO4、石墨、、硅和富锂活性材料进行测试；还研究了多种粘合剂（如PVDF）、导电碳添加剂（如Super P®）、浆液溶剂（水系和非水系）和分散剂。电极微观结构的预测主要从孔隙率、活性颗粒表面粘结剂覆盖率、团聚颗粒的粒径分布等方面分析。他们自己开发了一个虚拟现实软件，可视化预测的电极微结构。然后，对得到的电极微观结构应用数学平滑程序，生成几何模型用于：（1）格子Boltzmann模型模拟多孔电极中电解液的侵润动力学；（2）电化学性能模拟。工作包2（WP2）包括按照WP1中预测的材料组分和制造规范制备浆料、电极和电池。电极和电池是使用实验室现有的设备制造，以模拟工业上的加工条件。所制造的电池半成品和电池还包括通过电化学模拟优化后的电极结构。同时，为了验证在WP1中开发的数学模型，对浆料的特性（如粘度）进行表征，采用气体吸附测试孔隙结构（孔隙率和弯曲度），采用X射线断层扫面成像和3D FIB/SEM观测电极微观结构。并对涂层的导电性和机械性能进行测试。工作包3（WP3）继续WP1中的后续流程，开发一种新的计算方法，用于预测WP1中生成的电极微观结构对电池性能的影响。该电池模型将WP1生生的平滑电极微观结构和相关的物理化学参数作为模拟输入。该电化学模型以三维几何方式描述负极/隔膜/正极电池基本单元的机理，通过有限体积/单元法求解耦合偏微分方程（PDE），包括电化学、离子输运、电子输运、由于活性材料体积膨胀（如硅的情况）或机械应力引起的孔隙率变化。该模型耦合到能量密度优化算法中，根据相关参数（如过电位、比容量等）分析模拟的充放电曲线，从而寻找最佳的、具有创新性的电极结构（例如沿电极厚度的孔隙率梯度分布）。这些优化的电极结构根据WP1模型的指导在WP2平台进行制造。由WP1中的制造工艺模型和WP3中的电化学性能模型组合而成的多尺度计算平台集成到了网页平台中，用于开源在线电池性能模拟。在线平台可以使用项目数据库中生成的电极微观结构进行操作，也允许用户使用自己的数据。工作包4（WP4）为WP3中开发的电池基本单元模型提供了验证数据。所制造的电极，包括计算生成的优化结构的电极，从电化学上在实验室规模上进行实验测试，通过先进的表征手段（例如恒电位仪、x射线衍射仪相）获得充电/放电曲线，GITT和EIS等结果。
