Nyt værktøj ændrer spillet for heterogen materialemodellering

Lithium-ion-batteriers (LIB) ydelse og sikkerhed kan tilskrives komplekse elektrode-mikrostrukturer. Mikrostrukturanalyse ved National Renewable Energy Laboratory (NREL) har til formål at anvende dybdegående viden om elektroderne til at forudsige batteriydelser og identificere optimal mikrostrukturarkitektur til at guide LIB-udviklingen.

Mikrostrukturskalamodellering udført af NREL i løbet af de sidste fem år har kulmineret i den nyligt udgivne, open-source Microstructure Analysis ToolBox (MATBOX) dedikeret til maskeringen, numerisk generation, segmentering, og karakterisering af tredimensionelle heterogene materialer, såsom batterielektroder.

Automatiseret og brugercentreret arbejdsgang for forbedret analyse

"I mikrostrukturanalyse, det er normalt ret nemt at beregne en bestemt ejendom. Imidlertid, det kan være meget mere kompliceret at bestemme de faktorer, der bidrager til fejlmargenen for dette resultat, " sagde Francois Usseglio-Viretta, en NREL-forsker og hoveddesigner af MATBOX. "Nøjagtig analyse kræver at køre hundredvis af beregninger, fører til en kompleks og tidskrævende arbejdsgang. MATBOX automatiserer denne proces."

MATBOX udnytter den eksisterende MATLAB -computerplatform for at øge forståelsen af ​​sammenhængen mellem LIB -elektrode -mikrostrukturer og ydeevne. MATBOX fokuserer på at levere mikrostrukturparametre og tredimensionelle masker, der er nødvendige for LIB-modellering. Ud over, værktøjet bruger tredimensionel numerisk generering til design rumanalyse og optimering. Denne brugervenlige applikation strømliner de ellers tidskrævende og komplekse opgaver relateret til mikrostrukturanalyse for andre materialer.

Et nøgleaspekt ved MATBOX er dens komplekse grafiske brugergrænseflade og omfattende dokumentation, giver brugerne mulighed for at drage fuld fordel af værktøjskassens muligheder. Denne grænseflade sikrer, at værktøjet er både brugervenligt og relevant på tværs af materialeanalyseapplikationer. Værktøjet er open source, giver forskere fra på tværs af brancher mulighed for at udforske det fulde potentiale af MATBOX til at guide eksperimenter.

"At frigive MATBOX som et open source-værktøj var vigtigt for at tilskynde til fortsat samarbejde på tværs af industri og andre laboratorier, Usseglio-Viretta sagde. "Vi tror på, at værktøjet vil transformere området for analyse af heterogene materialer, da det giver en alt-i-en, brugervenlig, tilpasset løsning, der kan anvendes til et stort udvalg af materialer."

Tidlige resultater styrker eksisterende modelleringsforskning

Med sin evne til at understøtte både mikroskala og makroskala elektrokemisk modellering, MATBOX er hurtigt ved at blive et kritisk trin i modelleringsarbejdet for det amerikanske energiministeriums eXtreme Fast Charge Cell Evaluation of Lithium-Ion Batteries (XCEL) -program. Indtil nu, MATBOX har givet XCEL-forskere mulighed for at karakterisere forskellige elektroder fremstillet af Argonne National Laboratory ved dets celleanalyse, modellering, og Prototyping Facility og identificere lovende elektrodearkitekturer skræddersyet til hurtigopladningsapplikationer til elektriske køretøjer.

Imidlertid, MATBOX's virkning overgår elektrodeforskning alene. Forskere ved NREL's Renewable Resources and Enabling Sciences Center bruger MATBOX til at sammenligne forskellene i porøsitet og porestruktur af træ og biokul for at øge nøjagtigheden af ​​modellering af vedvarende energiproduktion til pyrolyse. Udvendigt, University College London, University of Alabama i Huntsville, og Sandia National Laboratories bruger MATBOX til at udvide forskningen i batteriteknologier, såsom lav-kobolt katoder.