锂离子电池跨尺度建模与模拟仿真研究进展

谈鹏 应用大会教授、博导热科学和能源工程系中国科学技术大学2025年12月14日 目录CONTENTS 01研究背景 02从材料到界面 03从颗粒到电极 从电极到单体 04 锂离子电池储能模拟仿真涉及了从原子、分子等微观水平到系统宏观性能的多尺度以及力、电、热等多物理场的交互作用，复杂程度高 多尺度模拟仿真技术： 提供从微观到宏观的连续性视角揭示从材料到系统在不同尺度下的行为特性避免因实验测试条件不合理引起的安全风险 吸需发展电池跨尺度建模与仿真技术更准确、有效地获取材料物性参数优化储能器件结构提升储能系统性能 目录CONTENTS 01研究背景 02从材料到界面 03从颗粒到电极 从电极到单体 04 口基于材料底层第一性原理-分子动力学模拟获取不同体系下SEI结构参数传递至宏观SEI模型口从SE生长到循环过程的变化，获取更精确的界面性能模拟，基于界面性能探究电池衰减的根本原因 口界面电子-离子耦合传输特性 口导电通路优化 口不同粒径需要匹配不同电子传输通道以最大化容量口电子传输通道不变下增大粒径，容量利用率必然下降 口颗粒间由导电碳连接更有利用提升容量利用率口小电流下活性硅对死硅有更好的激活效应 Tan*,etal.,Adv.PowderMater.,2024,3,100200. 口硅颗粒界面剥离现象 目录CONTENTS 01研究背景 02从材料到界面 从颗粒到电极 03 04从电极到单体 电极微观结构-图像识别及计算搭建 三元材料图像识别及结果展示 基于图像识别计算孔隙率、迁曲度等电极参数，「可根据实验进行系数优化，提高预测准确度 口应用：2D模型刻画硅碳颗粒空间位置影响 口将各位置的活性颗粒简化为：边缘、中间中心 Tan*,et al., Adv.Funct. Mater.,2025,35, 2413560. 目录CONTENTS 01研究背景 02从材料到界面 03从颗粒到电极 04从电极到单体 口电化学-热耦合模型：P2D-三维传热耦合模型刻画充放电过程中的电池温度分布变化 口通过多个P2D模型和三维传热模型耦合，研究电池沿厚度方向上温度和电极性能的不均匀性口为设计不同层电极间的性能梯度，降低电池的不均匀性提供指导 口随着电池厚度的增加儿充放电结束后表面和中心位置的温度差进一步增大口电池的充电性能受温度影响更大 总结