日本村田制作所的研发工程师 Jusuke Shimura 在检验使用锂金属作为负极材料的电池时，研究了充电模式对枝晶形成的影响。电池行业正在飞速发展，以满足电气化和可再生能源时代的需求，这种方法在电池和储能领域的应用越来越广泛。
使用多物理场仿真尽可能减少枝晶。当电流作用于锂金属电极时，可能产生锂枝晶而导致短路。Shimura 评论道：“为了使采用锂金属电极的锂离子电池走上商业化道路，我们必须解决这个问题。” 在他的方法中，最关键的一点是确定可以最大限度抑制锂枝晶生长的充电模式。这是因为在脉冲间隔期间，电极界面上的浓度梯度减小，从而削弱了枝晶的堆积。此外，在电流模式中引入反向脉冲对反复溶解已形成的枝晶也起着重要的作用。为了在几何模型中分析电化学效应，Shimura 利用了 COMSOL 多物理场仿真软件的电池建模功能得到仿真结果，并结合实验数据确定了最佳的充电模式。
了解枝晶形成过程中枝晶的形状变化非常重要。为了实现这一目标，他制作了一种可以与 X 射线计算机断层扫描（CT）兼容的叠片电池。这种电池的电解质膜中含有造影剂，因此可以 直观地测量枝晶形成随时间的变化情况（图 1）。
图 1. CT 结果显示，在 50 μA/cm² 的流动电流下分别作用 6 h（a）、 13 h（b）和 20 h（c）后，电解质膜表面被产生的锂枝晶推高的情况。图注：Electrolyte -电解质；Li Metal - 锂金属；Electrolyte ( with Barium ) - 电解质（ 含钡 ）；Tangled Dendrite - 缠结的枝晶
研究人员创建了一个可以用 CT 进行成像的叠片电池，这样就能知道枝晶的形成位置。然后，使用 COMSOL 多物理场仿真软件根据枝晶的形状和大小找到最佳的充电脉冲模式来限制枝晶的生长。通过基于 CT 数据创建的锂金属电池模型，分析了改变电流模式所产生的效果。仿真结果可以清晰显示金属锂枝晶的沉淀量（图 2）。
图 2. 锂离子电池几何形状的网格。图注：electrolyte - 电解质
利用多物理场建模对各种电流模式进行了评估，找出了将枝晶形成速度降至最低的电流模式（图 3）。这种方法使 他能够通过脉冲模式的一个周期来确定哪里有更多的锂沉积：是具有平面扩散的电极表面（图 3 底部），还是具有球面扩散的枝晶（图 3 左侧部分）。他最终发现，在施加反向脉冲 20 秒， 间隔时间 10 秒；正向脉冲 20 秒，间隔时间 10 秒的模式下，如此循环往复，可以最大程度地抑制枝晶生长（图 4）。“通过使用这种模式，枝晶的生长速 度不到原来的三分之一。这一改进仅仅是 通过改变充电模式实现的，其化学成分仍保持不变，”Shimura 解释说。Shimura 的仿真以实验确定的枝晶大小为依据，使用了 COMSOL多物理场 仿真的电池建模功能，通过浓度相关的 Butler-Volmer 方程模拟电极反应，并使 用耦合的扩散-迁移方程模拟电解质内的锂离子传输。
图 3. 锂离子电池几何形状的网格。图注：electrolyte - 电解质
图 4. 通过有限元法对叠片式电池进行仿真， 确定了这种脉冲模式为最佳模式。在优化的充电模式下，枝晶中锂的溶解变得更加容易，而沉积则变得困难。图注：Off-Time - 间隔时间
开发面向未来的电池借助仿真分析，通过仿真找到了为锂离子电池充电的最佳脉冲模式。与施加直流电相比，这种方法使电池寿命延长了三倍。在COMSOL 多物理场仿真软件的帮助下，我们能够通过基于第一性原理的仿真，验证优化的充电模式可以改善电池的使用寿命。
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往期现场
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常见问题
Q：有限元仿真模拟对我的论文有怎样的帮助，真的能提高文章档次吗？
A：对于一部分的研究领域，例如人工超材料，理论上的模拟计算可以说是必不可少的。而对于更多的研究领域，模拟计算可以作为实验的补充，能进一步验证实验的结论，提高结论的说服力。理论模拟丰富了文章的内容，在工作量上也使文章更充实。另外模拟计算很多时候可以优化实验设计，提高实验效率。
Q：我是零基础学员，两天的时间也能学会吗？
A：我们的培训就是针对零基础学员的。我们的课程一方面讲授模拟软件的使用，更重要的是另一方面讲解科研中的理论建模的思维方法。如何把模拟加入自己的科研工作，提升文章的质量。
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A：有限元方法是一种一般性的数值计算的方法，用来求解各种偏微分方程，理论上只要是能用偏微分方程描述的物理化学过程都可以都用有限元方法求解。有限元不仅在各个物理学科和工程领域这些传统领域有广泛的应用，而且现在越来越多的运用到交叉学科的研究中，例如柔性传感器件，能源器件，生物工程，微流控等等几乎目前所有的热门研究领域。
Q：每场培训有多少学员呀？不会是那种人山人海的大课吧？
A：为保证教学质量，也为学员营造舒适的学习环境，我们每场培训都会将招生人数限制在30人以内，以保证良好的课堂秩序，同时安排助教协助学员进行软件安装、现场答疑、课堂辅助教学等。
Q：我是慢热型的学生，接受新知识慢，一次学不够怎么办？
A：老学员可以免费复听，一次报名终身免费复学，只要你学不够，我们就一直教下去～
Q：可以开具发票进行报销吗？
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