一个梦想：锂电池有限元模拟
计算机模拟不是万能的，一般只能模拟已经深入认识、具备成熟理论的过程，而且由于过程的简化和假设，往往与实际相差甚远。但是，仿真模拟对过程的理解和认识有帮助，能够在一定程度上预测结果。所期望的理想锂电有限元模拟过程是：通过极片工艺模拟获得极片结构参数，将这些参数作为电化学模型的输入，考察查参数对电池性能的影响，建立工艺-极片结构-性能之间的关系，预测工艺对电池的影响。这可能只是一个梦想！
我没有特别强的数学和物理化学基础，只是有过一些做模拟的科研经历。在读研期间，我用有限元方法研究了涂层制备工艺。如图1所示，工艺过程原理为：预热高压气体从周向进入喷枪混合室，携带粉末颗粒的气体从轴向送入喷管中，经缩放型拉瓦尔喷管产生超音速气流，粉末颗粒经过整个喷嘴被加速到300～1200m/s以上的高速度，形成超音速气--固双相流。高速粒子在完全固态下撞击基体，发生塑性变形并形成涂层。 
模拟这个工艺过程时，我提取了两个关键的过程：（1）气固两相流在缩放喷管内的加速过程模拟，从而计算颗粒的速度；（2）金属粉体高速碰撞变形，并形成涂层的过程。气固两相流加速过程模拟如图2所示，通过模拟研究气体的预热温度和压力等工艺参数对颗粒的加速影响，从而估算颗粒的碰撞速度。
图2 喷管网格图及气体温度与压力对铜颗粒出口速度的影响
颗粒碰撞喷涂过程模拟如图3所示，考察工艺参数对涂层工艺的影响，预测不同硬度的混合粉体在喷涂碰撞中的变形形貌，揭示涂层的结合机理。
图4 涂层形貌模拟与实验对比
后来，用模拟方法做过一些小项目，比如LED灯罩结构优化与热分析。因此，本公 众号分享的锂离子电池有限元模拟主要先从以下2个方面开始：
（1）极片工艺模拟，包括搅拌、涂布、干燥、冲裁等。其中，搅拌、涂布和干燥主要是流体力学模拟过程，冲裁是材料力学和弹塑性形变过程；
（2）锂离子电池电化学模拟，根据电极结构和物性参数预测电化学性能。
总结分享模拟理论基础、学习过程和经验，和大家共同进步，希望这个过程对自己，对大家都有所帮助。
