多尺度模拟研究固体电解质界面北大核心CSCD

固体电解质界面(solid electrolyte interphase,SEI)是电池中“最重要也是最不被理解”的部分。可控合成性能优异的SEI是实现高能量密度电池的关键技术之一。但是,由于SEI的形成过程涉及到多个时间和空间尺度,并且涉及到多场耦合,导致SEI结构异常复杂。现有实验表征手段无法精确解析其微观结构和形成机制。近年来,高速发展的多尺度理论模拟,为理解和解析SEI结构提供了强有力的新手段。本文总结了近年来针对SEI研究发展出来的关键模拟技术,重点关注微-介观(<100 nm)尺度的理论模拟方法,特别是可以用于电化学模拟的量子化学方法、可用于大尺度化学反应模拟的反应力场方法以及数据驱动的机器学习模型等。这些新技术可以有效地解决传统模拟方法中存在的准确性低、时间尺度短以及空间尺度有限等问题,在可以预见的将来,在研究SEI形成的初始反应、动态演化以及功能预测等方面将发挥越来越重要的作用。随着计算机硬件水平的不断提升、理论模拟算法的稳步提高,多尺度理论模拟将为高能量密度电池的理论设计和智能制造提供强有力的理论基础。     

以合成气为燃料的SOFC多物理场传递过程数值分析

固体氧化物燃料电池(SOFC)内存在复杂的多物理场传递过程,这些过程对电池的性能具有重要的影响.以某实际生产的SOFC为对象,建立了其三维模型,模型描述了以合成气为燃料时其内部发生的传质、传热、化学及电化学反应等多物理场过程.根据模拟结果,给出了两种合成气组分下电池内温度、气体组分、化学反应速率以及电流密度等参数的分布...     

锂离子电池电化学仿真技术综述

锂离子电池是一个多尺度、多物理场的系统.在进行锂离子电池正向开发过程中需要考虑诸多电芯设计和工艺设计因素.在材料层面,有正负极的活性物质、导电剂、黏结剂、电解液的物理化学性能;在极片层面,有极片的孔隙率、涂层厚度、极片尺寸等因素;在电芯层面,有极片的叠片或者卷绕的方式、集群的排布方式等因素.因此需要花费大量的时间进行反复实验.利用电化学仿真的方法可以模拟电池内部发生的化学、物理过程,在理论阶段找出优化的设计方案,从而减少电池开发的时间.本文分析了近期锂离子电池电化学仿真技术在锂离子电池研究领域的应用,结合仿真实验的结果,综述了电化学模型的基本原理以及敏感性较高参数的辨识方法,介绍了锂离子电池电化学仿真技术在电池设计、电池工况状态模拟、电池热特性分析以及电池安全方面的应用.最后,展望了锂离子电池电化学仿真技术的发展方向.     

锂离子电池基础科学问题(ⅩⅣ)——计算方法

基础理论的创新与计算机性能的大幅度提升为高精度与多尺度的计算模拟提供了可能,这些方法也在锂离子电池的研究中得到了广泛的应用。本文介绍了第一性原理、密度泛函理论、分子动力学、蒙特卡罗、相场模拟、分子力场、有限元等不同时间与空间尺度上的模拟方法的基本原理,并探讨了这些方法在锂离子电池基础研究中的应用,如计算电池电压、电极材料的电子结构、能带结构、迁移路径、缺陷生成能、离子在材料体相及不同微观结构中的输运、材料中温度场分布、应力场分布等。     

Fundamental scientific aspects of lithium ion batteries(ⅩⅣ)—Calculation methods

基础理论的创新与计算机性能的大幅度提升为高精度与多尺度的计算模拟提供了可能,这些方法也在锂离子电池的研究中得到了广泛的应用。本文介绍了第一性原理、密度泛函理论、分子动力学、蒙特卡罗、相场模拟、分子力场、有限元等不同时间与空间尺度上的模拟方法的基本原理,并探讨了这些方法在锂离子电池基础研究中的应用,如计算电池电压、电极材料的电子结构、能带结构、迁移路径、缺陷生成能、离子在材料体相及不同微观结构中的输运、材料中温度场分布、应力场分布等。     

多物理场耦合下锂离子电池组可靠性研究现状与展望北大核心CSCD

近年来储能及电动汽车领域锂离子电池失效引起的安全事故频现,分析锂离子电池的失效诱发机制,从而提升锂离子电池的安全性及可靠性成为研究热点。锂离子电池失效行为呈现诱发因素多、形式种类多、危害损失大、评估探测难的特点,采用传统的失效机理分析方法需要对电池进行破坏性拆解,无法准确描述和预测电池失效,更无法描述电池组复杂的失效过程。基于多物理场失效仿真分析,从锂离子电池或电池组可靠性角度对事故发生可能性进行描述被认为是更为科学和有效的方法。但是,电池组可靠性研究刚起步,也存在着不能考虑多物理场耦合、分析误差较大等不足之处。基于此,本文首先阐述了锂离子电池可靠性分析的内涵,介绍了锂离子电池可靠性建模和分析方法的研究现状及存在的问题,阐述了基于多物理场耦合的锂离子电池组可靠性研究方法,进而提出基于贝叶斯理论的失效逐层级追溯结合多物理场耦合建模的失效分析策略,并对其存在的挑战进行了论述。     

质子交换膜燃料电池冷启动时阴极催化层内多场耦合的介孔尺度模型

为详细解析质子交换膜燃料电池（PEMFC）零下温度启动过程,建立了电池冷启动时多场耦合过程的介孔尺度数值模型。几何模型基于随机网格法（SGM）重建的催化层介孔结构,数学模型描述了物质传输、电荷传输、电化学反应和汽-冰相变过程。数值分析了电池冷启动过程中催化层内冰的生成和演化,重点探讨了冰的生成及形貌对电池性能的影响,推导出电化学活性反应面积与结冰量的关系式。     

Overview of the modeling of lithium-ion batteries

简述了锂离子电池等效电路模型和电化学模型的研究进展。由于具有耗时短、技术开发效率高等优点,仿真模型被广泛应用于锂离子电池衰减机制分析、状态诊断及寿命预测。锂离子电池仿真模型主要包括等效电路模型和电化学机理模型。等效电路模型主要应用于锂离子电池荷电状态诊断。电化学机理模型主要应用于锂离子电池衰减机制分析和健康状态诊断,并为寿命预测提供技术支持。等效电路模型的结构过于单一,在锂离子电池寿命后期适用性降低。电化学机理模型结构复杂,计算量大,在线性应用能力较差。总结了现阶段常用的锂离子电池等效电路模型和电化学模型的建模原理及模型结构,阐述了每种模型在电池研究中的具体应用,并分析了其各自的优势及局限性。通过以上分析,并结合最新的建模理论,对建立具有高精度、高适用性锂离子电池仿真模型的研究方向进行了展望。     

基于不同势函数的正构烷烃物理性质分子动力学模拟

采用分子动力学模拟详细比较了4种常用势函数对正构烷烃物理性质预测精度的影响，提出了一种新的修正力场并对其进行广泛的验证，验证主要包括饱和两相密度、饱和蒸气压和自扩散系数等热物理和输运性质．之后，将改进力场应用于二元组分燃料热物性研究中，探究了不同混合比例条件下通过每种组分加权平均的方法估算混合物饱和热物性的准确度．研究发现，改进力场对正庚烷和正十二烷物理性质的预测与实验值较为吻合；在温度较低、正庚烷摩尔分数较高或者温度较高、正庚烷摩尔分数较低的工况下，通过加权平均得到的饱和物性值较为准确．     

电极材料储锂行为及其机制的原位透射电镜研究进展

锂离子在体相电极材料中的输运、反应、储存所引发的电子和晶体结构、微观形貌、化学组成、物理性质的动态演变与锂离子电池的电化学性能息息相关.从纳米甚至原子尺度上阐明电极在电化学过程中的微观结构、形貌、物相和化学成分的动态演化行为,对理解电极材料基本物理化学特性及其动态演化与电池宏观电化学性能间的构效关系至关重要;这需要借助清晰、精确的先进原位表征手段.在现有各类原位表征技术中,原位透射电镜(TEM)由于其超高的空间和时间分辨率,具有实时、动态监测电极材料在工况下结构、形貌、物相以及表/界面处原子级结构和成分变化的独特优势,是开展上述研究最具代表性的一种重要表征手段;可对电极材料微观动态演变行为和反应机理等进行精确表述,进而为高性能电极材料的构筑与性能调控提供微观依据和创新思路.本文总结归纳了当前采用原位TEM表征技术解析锂离子电池关键电极材料在充放电过程中的微观动态演变规律与失效机制的重要研究进展,包括多种正极材料和高比容量负极材料的原位TEM研究,重点是它们在电化学过程中微观结构、化学成分与物相动态演变等信息.此外,本文对原位TEM表征技术当前存在的问题,以及借助原位TEM技术研究二次电池的未来发展方向进行了展望和思考.     

锂电池百篇论文点评(2016.6.1-2016.7.31)

该文是一篇近两个月的锂电池文献评述,以“lithium”和“batter*”为关键词检索了Web of Science从2016年6月1日至2016年7月31日上线的锂电池研究论文,共有1880篇,选择其中100篇加以评论。正极材料主要研究了三元材料、富锂相材料和尖晶石材料的结构和表面结构随电化学脱嵌锂变化以及掺杂和表面包覆及界面层改进对其循环寿命的影响。硅基复合负极材料研究侧重于嵌脱锂机理以及SEI界面层,电解液添加剂、固态电解质电池、锂硫电池、锂空气电池的论文也有多篇。原位分析偏重于界面SEI和电极反应机理,理论模拟工作涵盖储锂机理、动力学、界面SEI形成机理分析和固体电解质等。除了以材料为主的研究之外,还有多篇针对电池、电极结构进行分析的研究论文。     

Reviews of selected 100 recent papers for lithium batteries（Aug. 1，2016 to Sep. 30，2016）

该文是一篇近两个月的锂电池文献评述,以“lithium”和“batter*”为关键词检索了Web of Science从2016年8月1日至2016年9月30日上线的锂电池研究论文,共有1579篇,选择其中100篇加以评论。正极材料主要研究了三元材料、富锂相材料和尖晶石材料的结构和表面结构随电化学脱嵌锂变化以及掺杂和表面包覆及界面层改进对其循环寿命的影响。硅基复合负极材料研究侧重于嵌脱锂机理以及SEI界面层,电解液添加剂、固态电解质电池、锂硫电池、锂空气电池的论文也有多篇。原位分析偏重于界面SEI和电极反应机理,理论模拟工作涵盖储锂机理、动力学、界面SEI形成机理分析和固体电解质等。除了以材料为主的研究之外,还有多篇针对电池、电极结构进行分析的研究论文。     

模拟仿真在锂离子电池热安全设计中的应用北大核心CSCD

随着锂离子电池的广泛使用,锂离子电池热安全问题日益突出。相比于成本高、破坏性大的实验方法,建模仿真因其经济、安全、快速等优势成为锂离子电池热安全研究的重要手段。本文从微观建模、单电池建模以及电池组建模三个尺度对最新的锂离子电池模型及其在热安全设计中的应用进行了综述。着重介绍了锂枝晶的生长调控和电解液的安全设计方面的模拟仿真、单电池模型与热方程耦合的应用以及锂离子电池组热模型在优化电池热管理系统方面的研究。最后总结了现有的锂离子电池热模型存在的缺陷,并对锂离子电池热模型未来的研究方法做出了展望。     

连接体结构对固体氧化物燃料电池性能影响的数值分析

固体氧化物燃料电池（SOFC）中连接体结构对电池性能有重要影响。为探究连接体结构对固体氧化物燃料电池性能的影响，建立了传统直通、圆柱形、矩形和凹形4种不同连接体结构SOFC的三维数值模型，并对其流体流动、组分传递、电化学反应和固体流体传热的多物理场耦合过程进行了数值模拟。结果表明，在一定条件下，圆柱形、矩形和凹形连接体结构有利于电池中气体的传输，使电池的电流密度和输出功率均有所提升，其中凹形连接体结构的提升效果最明显，圆柱形、矩形连接体结构的次之。不同孔隙率下圆柱形、矩形和凹形连接体结构均优于传统直通连接体结构，在阴极孔隙率较小时其优势更加明显。     

Reviews of selected 100 recent papers for lithium batteries (Feb. 1, 2018 to Mar. 31, 2018)

该文是一篇近两个月的锂电池文献评述,以“lithium”和“batter^*”为关键词检索了Web of Science从2018年2月1日至2018年3月31日上线的锂电池研究论文,共有2731篇,选择其中100篇加以评论。正极材料主要研究了三元材料、富锂相材料和尖晶石材料和有机物正极材料,材料结构和表面结构随电化学脱嵌锂变化以及掺杂和表面包覆及界面层改进对其循环寿命的影响以及富锂材料的氧参与氧化还原反应的机制受到重视。硅基复合负极材料研究侧重于嵌脱锂机理以及SEI界面层,金属锂负极的研究侧重于通过表面覆盖层的设计来提高其循环性能。电解液添加剂、新型固态电解质、固态电池、锂硫电池的论文也有多篇。原位分析偏重于界面SEI和电极反应机理,理论模拟工作涵盖储锂机理、动力学、界面SEI形成机理分析和固体电解质等。除了以材料为主的研究之外,还有多篇关于电池界面及材料分析方法的研究论文。     

Reviews of selected 100 recent papers for lithium batteries (Dec.1,2018 to Jan.31,2019)

该文是一篇近两个月的锂电池文献评述,以“lithium”和“batter^*”为关键词检索了Web of Science从2018年12月1日至2019年1月31日上线的锂电池研究论文,共有2472篇,选择其中100篇加以评论。正极材料主要研究了三元材料、富锂相材料和尖晶石材料的结构和表面结构随电化学脱嵌锂变化以及掺杂和表面包覆及界面层改进对其循环寿命的影响。硅基和锡基复合负极材料研究侧重于嵌脱锂机理以及SEI界面层,金属锂负极的研究侧重于通过集流体和表面覆盖层的设计以及电解液添加剂来提高其循环性能。固态电解质、电解液添加剂、固态电池、锂硫电池的论文也有多篇。原位分析偏重于界面SEI和电极反应机理,理论模拟工作涵盖储锂机理、动力学、界面SEI形成机理分析和固体电解质等。除了以材料为主的研究之外,还有多篇针对电池分析、电池管理系统技术的研究论文。     

电池电极过程可视化与定量化技术的研究进展北大核心CSCD

2020年12月中央经济工作会议提出“碳达峰”与“碳中和”目标,明确了加快调整优化产业结构与能源结构,对发展新能源电池技术提出了新要求。在电池服役过程中,电极过程反映了电化学系统中的工作机制与演化规律,随着高比能电池体系的开发应用以及单体电池体积的增大,电池电极过程的不均匀程度更加突出。然而,电池在空间与时间维度上存在多尺度、多层级、多过程、多步骤及多场耦合的复杂特点。本综述重点整理了不同活性离子体系电池的电极过程,包括液相传质、表面电子转移、固相扩散三个主要步骤,并以高比能电池、功率型电池、长寿命电池为例,分析了电位、过电位、扩散系数、不同尺度的几何参数等对各种电池设计目标的影响,讨论了不同尺度下电极过程的非均匀对电池性能衰减的影响机制。基于已开发的电极过程可视化方法与定量化分析技术,系统总结了锂离子电池与铝电池的典型电极过程,深入分析了这两类电池电极过程的差异,为基于理解电极过程设计材料体系与优化电池结构提供了重要支撑。通过建立电极过程与电池性能之间的关系,分析并展望了存在的科学问题与技术问题,为科学指导电池设计与制造提供基础。     

锂离子电池原位光学显微观测

原位光学显微装置越来越多地用于锂离子电池微观行为的观测.本文采用原位光学显微系统对软包装锂离子电池充放电过程中极片厚度和形貌变化进行了原位观测,采集了电压-电流曲线、极片厚度变化曲线和负极片形貌变化图像的同步测试数据,并以此研究了不同比例石墨/氧化亚硅复合负极嵌锂时的电化学及物理行为,随着氧化亚硅含量增加,极片满电厚度...     

锂电池安全性多尺度研究策略:实验与模拟方法北大核心CSCD

作为新一代电化学储能体系,锂离子电池在消费电子产品、交通动力系统、电网储能等领域具有重要的应用价值。然而,在锂离子电池的商业化进程中,安全性事故时有发生,影响了锂离子电池的大规模应用。本文从电池安全性的三个研究尺度:材料、电芯、系统,综述了与之对应的重要研究方法,其中每个尺度均包括基于物理样品的实验方法和基于计算机数学模型的模拟方法。本文介绍了这些方法的基本原理,通过典型案例展示了这些方法在安全性研究中的适用场景和作用,并探讨了实验和模拟方法之间的联系,着重介绍了材料热分析、材料加热过程中结构分析、电芯加速度量热分析、电芯安全性数值模拟等方法。基于对多尺度研究策略的系统综述,认为安全性研究需要在各个尺度联合同步开展。最后,展望了下一代锂电池,如固态电池、锂金属电池等,可能面临的电池安全性问题。这些新体系的安全性研究仍处于早期,其材料和验证型电芯的安全性研究是当前阶段值得关注的重要课题。     

PEMFC圆形双极板径向流场环形肋板孔道研究

为研究质子交换膜燃料电池圆形双极板径向流场环形肋板上的孔道对电池性能的影响,借助多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics对不同孔道数目的流道设计方案进行数值模拟。选定某一特定孔道数目之后,进一步研究孔道的形状尺寸对电池电化学性能和物质输运能力的影响。结果表明：增加环形肋板上孔道的数目有利于提升电池输出功率,采用长宽比为1.50~1.75的矩形孔道的燃料电池整体性能最优。