天津大学焦魁教授课题组，AS文章：基于开源CFD软件揭示3D柱状电极结构强化全固态电池性能的机制- 大数跨境

首页

天津大学焦魁教授课题组，AS文章：基于开源CFD软件揭示3D柱状电极结构强化全固态电池性能的机制

科学材料站

2022-02-15

导读：该文基于开源CFD平台OpenFOAM搭建了全固态电池的电化学模型；介绍了一种新型3D柱状电极结构并基于电化学模拟深入分析了该结构提升电池性能的原因。

文章信息

开源CFD揭示3D柱状电极结构强化全固态电池性能的机制

第一作者：李伟卓

通讯作者：杜青*，焦魁*

单位：天津大学

研究背景

全固态电池（All-solid-state battery）通过采用固态电解质（Solid-state electrolyte）替换有机、易燃、有毒和易挥发的液态电解质可以较好的抑制锂离子电池频发的热安全问题。此外，固态电解质还可以与锂金属负极和高电压正极相匹配，进一步提升锂离子电池的能量密度，因此被认为是有潜力的下一代电池技术。

但是，现有的大部分固态电解质，包括聚合物电解质和无机固态电解质，难以同时具有高离子电导率和良好界面相容性等特点，阻碍了全固态电池的商业化进程。优化电极结构可以一定程度规避现有固态电解质存在的不足，提升全固态电池性能。因此，该文介绍了一种新型3D柱状电极结构，并通过电化学模拟针对该结构如何改善电池性能进行了深入分析，以求可以同时提升全固态电池的比面积能量密度和功率密度。

文章简介

在这里，天津大学的焦魁教授课题组，在国际知名期刊Advanced Science上发表了题为“Open-Source CFD Elucidating Mechanism of 3D Pillar Electrode in Improving All-Solid-State Battery Performance”的文章。

该文基于开源CFD平台OpenFOAM搭建了全固态电池的电化学模型；介绍了一种新型3D柱状电极结构并基于电化学模拟深入分析了该结构提升电池性能的原因。

图1. 新型3D柱状电极结构全固态电池示意图。

本文要点

要点一：基于OpenFOAM的全固态电池电化学模型

基于文献中已经报道的关于全固态电池的建模工作，该文搭建了一个通用性更强，准确度更高的三维全固态电池电化学模型，包含了锂离子在固态电解质和电极材料中的传输、质子和电子电荷守恒以及界面电化学反应，考虑了随浓度变化的锂离子扩散系数以提高模型在高电流密度操作条件下的准确度。

为了摆脱商业软件的“卡脖子”风险和“黑箱子”特性，该模型基于开源CFD软件平台OpenFOAM搭建。该软件具有免费使用、代码开源、自由度强、并行效率高等显著优势。

图2. 基于OpenFOAM的全固态电池电化学模型框架。

要点二：电极/固态电解质界面损失的影响

不同于液态电解质能够良好地润湿活性材料界面，固态电解质特别是无机陶瓷材料存在与电极界面物理接触差的问题。接触面积大小与电池放电容量紧密相关，为了探究这一影响，该文基于电化学模拟从放电曲线、电荷转移过电势、电极界面嵌入锂离子浓度以及扩散过电位四个方面进行了深入分析。

图3. 电极/固态电解质界面接触面积损失的影响。

要点三：新型3D柱状电极结构

为了同时增加电极/固态电解质界面接触面积和活性材料含量，该文介绍了一种具有新型3D柱状电极结构的全固态电池。该电池由数十亿根柱子组成，每一根柱子都等同于一个由薄功能材料层构成的微型电池，综合了3D结构和薄膜固态电池的优点。

因此，该结构具有很大的接触面积，并且继承了薄膜结构的特点，即两个电极之间的距离很短，减少了锂离子在固态电解质中传输的欧姆损失，降低了对固态电解质离子电导率的要求。针对这一类似结构，该文对比了两种不同设计电池的电化学性能。

模拟结果表明，只有当阴极包含3D集流板时，电池的能量密度、功率密度、容量、活性材料利用率才能随着柱高的增加而不断增加。该文深入地解析了这一类似结构在促进电池性能提升方面的重要意义。

图4. 新型3D柱状结构全固态电池的两种设计性能对比。

文章链接

Open-Source CFD Elucidating Mechanism of 3D Pillar Electrode in Improving All-Solid-State Battery Performance

https://doi.org/10.1002/advs.202105454

通讯作者简介

杜青教授

天津大学教授，博士生导师，主要从事燃料电池传热传质、内燃机燃烧过程和非牛顿流体射流破碎等方面的研究工作。承担了国防973、国家重点研发计划、国家自然科学基金项目等项目，作为研究团队成员获得军队科技进步二等奖。建立了天津大学燃料电池研究团队和液体射流破碎研究团队，搭建了相关的仿真和实验研究平台和相应的仿真及实验研究体系。2006年获得“中国内燃机学会创新人才奖暨史绍熙人才奖”。

焦魁教授

天津大学教授、博士生导师，中国内燃机学会燃料电池发动机分会副主任委员，英国皇家化学学会会士，“Energy and AI”与“International Journal of Green Energy”国际学术期刊副主编，“IEEE Transactions on Transportation Electrification”,“Applied Energy”,“Scientific Reports”等期刊编委。长期从事燃料电池领域的教学和科研工作，主要讲授“燃料电池科学与技术”、“燃气叶轮机械原理”、“能源与人工智能”等课程，致力于激发同学们对燃料电池和能源与人工智能的学习兴趣。主持国家优秀青年基金、重点研发计划课题等项目30余项，授权发明专利和软件著作权30余项，开完了具有完整自主知识产权的燃料电池仿真平台，应用于上汽、德国博世等20余家企业。发表期刊论文200余篇，以第一和通讯作者在《Nature》撰写长文“Designing the Next Generation of Proton-Exchange Membrane Fuel Cells”，阐明了未来10-20年燃料电池发动机技术路线。

第一作者简介

李伟卓

天津大学机械工程学院2020级博士研究生，目前主要研究内容为基于开源软件的锂离子电池电化学热耦合特性仿真。

课题组介绍

http://kjiao.tju.edu.cn