基于微结构演化的锂离子电池介观尺度多物理场耦合模型研究

The multi-space-scale and multi-time-scale is the distinguishing characteristics of the lithium ion battery which make it hard to control single variable, guarantee the continuity of multi-scale and overall plan multiple physics. In this project, new method based on meso-scale by the close connection and mutual promotion between experimental characterization, theory analysis and computer simulation is developed to overcome these barriers set by the multiple scales. The final purpose of this project is to analysize the relationship between the microstructure time-real evolution and the macro performance systematically and deeply, providing theoretical and technological guidance for the analysis, prediction, design, optimization and safety evaluation of high performance Li-ion batteries. The major efforts of this project will be addressed as follows: (i) the FIB/SEM and EDS are combined on line to obtain a series of images containing the microstructure/morphology and constituent information of the electrode, then these images will be processed to reconstruct the 3-Dimensional mesostructure; (ii) the time-dependent dynamics of the physical and chemical processes related to the battery is developed and combined with the 3-Dimensional mesostructure to build the pseudo 4-Dimensional model; (iii) the digital twins of the battery will be built by coupling multiple physics with pseudo 4-Dimensional model to study the interaction mechanism of electric, electrochemical, chemical, mechanical and thermal fields on the microstructure time-real evolution of lithium ion battery.

多空间尺度和多时间尺度是锂离子电池的鲜明特征，也致使电池研究存在单一变量难以控制、多尺度难以连续、多物理场难以同时兼顾的困难。本项目拟通过实验表征、理论分析和计算模拟的紧密结合，发展新的基于介观尺度的研究方法，以突破多尺度跨越对锂离子电池研究的桎梏。项目中心目标是对电极材料的微结构实时演化和多物理场的内在关系进行系统解析和深度挖掘，为器件性能分析预测、优化设计和安全评估提供理论和技术指导。主要研究内容包括：1）利用FIB/SEM与EDS的在线联用实现电极微结构及组分的二维分布图像序列的获取并通过图像分析技术重构电极三维介观微结构；2）基于三维介观微结构，结合电池物化过程的时变动力学特征，建立电池准四维模型，阐明长时效下电极材料的演变行为；3）基于准四维模型，发展多场耦合解析和数值模拟方法，从而构建锂离子电池数字双胞胎，研究电场、电化学、化学、应力、热效应等多场耦合对微结构演变的作用机理。

一、项目背景. 基于宏观-微观-介观多尺度数值仿真技术的锂离子仿真方法能够形成涵盖电极制备工艺、电池结构策略、电池安全评判、电池寿命预估、电池模块优化构建以及电源系统的整体运行维护的综合处理平台, 能够实现复杂件环境下的电化学、热场、磁场、流场、电场等多物理场耦合作用下的电池性能预估, 可以大大提高电池设计效率, 有效提高电池设计成功率, 降低电池设计成本。.二、研究内容与重要结果.1.发展了介观尺度研究理论和实验研究方法体系，构建电极材料的介观微结构准四维模型，解析电极材料长时效作用下的局部热力学和输运性质演变，发现介观尺度新现象。.2.发展了一套电极材料介观尺度多场耦合解析分析和数值模拟方法，实现微观层次与宏观性能的连接，直观展示介观尺度微结构演化对宏观动力性能特征的影响特点。.3.建立了锂离子电池数字双胞胎，实现多物理场作用下电极材料的动态响应和性能特性的数字展示，加速高性能储能器件及关键材料的设计优化、性能预测和安全评估，其中培养四名研究生，探索了锂离子电池容量衰减、寿命分析、结构优化、健康状态预估等工作。.4.结合仿真与实验方法，探索了碳纳米管界面层修饰的锂离子电池三维硫化锑负极研究，构筑的3D结构有利于提升活性物质面载量，还能为材料的体积膨胀提供容纳空间，提高电极/电解液接触面积，缩短锂离子和电子的扩散路径，使活性物质得到充分利用，倍率性能极大提高。.5.在国内外 SCI 刊物上发表论文 16 篇，申报发明专利23项。.三、关键数据与科学意义.锂离子电池的多尺度特性促使锂离子电池模型向着多元化的方向发展, 其中电化学模型从锂离子电池的基本原理出发, 能够获得较为丰富的电池仿真信息, 在电池的设计和系统的开发中具有重要的意义。拓展了宏观尺度的多物理场仿真，深化了微观尺度的模型应用及算法优化研究，结合实验与仿真方法开展新型电化学储能体系仿真研究，并将研究成果铺开至能源器件，将电池仿真技术与网络技术相结合，从而优化电源和电子产品设计。