De prestaties en veiligheid van lithium-ionbatterijen (LIB) kunnen worden toegeschreven aan complexe elektrodemicrostructuren. Microstructuuranalyse bij het National Renewable Energy Laboratory (NREL) heeft tot doel diepgaande kennis van de elektroden toe te passen om batterijprestaties te voorspellen en optimale microstructuurarchitectuur te identificeren om LIB-ontwikkeling te begeleiden.

Modellering op microstructuurschaal, uitgevoerd door NREL in de afgelopen vijf jaar, heeft geresulteerd in de nieuw uitgebrachte, open-source Microstructure Analysis ToolBox (MATBOX) gewijd aan de meshing, numerieke generatie, segmentatie, en karakterisering van driedimensionale heterogene materialen, zoals batterij-elektroden.

Geautomatiseerde en gebruikersgerichte workflow voor verbeterde analyse

"Bij microstructuuranalyse, het is meestal vrij eenvoudig om een ​​specifieke eigenschap te berekenen. Echter, het kan veel ingewikkelder zijn om de factoren te bepalen die bijdragen aan de foutenmarge voor dat resultaat, " zei François Usseglio-Viretta, een NREL-onderzoeker en hoofdontwerper van MATBOX. "Nauwkeurige analyse vereist het uitvoeren van honderden berekeningen, wat leidt tot een complexe en tijdrovende workflow. MATBOX automatiseert dit proces."

MATBOX maakt gebruik van het bestaande MATLAB-computerplatform om het begrip van het verband tussen LIB-elektrodemicrostructuren en prestaties te vergroten. MATBOX richt zich op het leveren van microstructuurparameters en driedimensionale meshes die nodig zijn voor LIB-modellering. In aanvulling, de tool maakt gebruik van driedimensionale numerieke generatie voor analyse en optimalisatie van de ontwerpruimte. Deze gebruiksvriendelijke applicatie stroomlijnt de anders tijdrovende en complexe taken met betrekking tot microstructuuranalyse voor andere materialen.

Een belangrijk aspect van MATBOX is de complexe grafische gebruikersinterface en uitgebreide documentatie, zodat gebruikers ten volle kunnen profiteren van de toolbox-mogelijkheden. Deze interface zorgt ervoor dat de tool zowel gebruiksvriendelijk als relevant is in materiaalanalysetoepassingen. De tool is open source, waardoor onderzoekers uit alle sectoren het volledige potentieel van MATBOX kunnen verkennen om experimenten te begeleiden.

"Het vrijgeven van MATBOX als een open-source tool was belangrijk om voortdurende samenwerking tussen de industrie en andere laboratoria aan te moedigen, " Usseglio-Viretta zei. "We geloven dat de tool het veld van heterogene materiaalanalyse zal transformeren, omdat het een alles-in-één biedt, gebruikersvriendelijk, aanpasbare oplossing toepasbaar op een grote verscheidenheid aan materialen."

Vroege resultaten versterken bestaand modelleringsonderzoek

Met zijn vermogen om zowel microschaal als macroschaal elektrochemische modellering te ondersteunen, MATBOX wordt snel een cruciale stap in de modelleringsworkflow voor het eXtreme Fast Charge Cell Evaluation of Lithium-Ion Batteries (XCEL)-programma van het Amerikaanse Department of Energy. Tot dusver, MATBOX heeft XCEL-onderzoekers in staat gesteld om verschillende elektroden te karakteriseren die zijn vervaardigd door Argonne National Laboratory tijdens zijn celanalyse, Modellering, en Prototyping Facility en identificeren van veelbelovende elektrode-architecturen die zijn afgestemd op snellaadtoepassingen voor elektrische voertuigen.

Echter, De impact van MATBOX overtreft het elektrodenonderzoek alleen. Onderzoekers van het Renewable Resources and Enabling Sciences Center van NREL gebruiken MATBOX om de verschillen in porositeit en poriestructuur van hout en biochar te vergelijken om de nauwkeurigheid van het modelleren van hernieuwbare energieproductie voor pyrolyse te vergroten. extern, het University College Londen, Universiteit van Alabama in Huntsville, en Sandia National Laboratories gebruiken MATBOX om onderzoek naar batterijtechnologieën uit te breiden, zoals kathoden met een laag kobaltgehalte.