快速计算表盘在更好的电池

莱斯大学的分析模型帮助研究人员调整电池性能

休斯顿——(2020年9月16日)——莱斯大学的工程师们表示，一种更简单、更有效的预测性能的方法将带来更好的电池。

他们的方法比目前的建模技术快100,000倍，这是一个不错的奖励。

一个将电池容量映射到阴极厚度和孔隙度的图表显示了一个基于数值模拟(黑色方块)和Rice大学的新算法(红点)的艰苦搜索，结果几乎相同。莱斯大学的研究人员说，他们的计算速度至少快了10万倍。插图王范

由莱斯大学布朗工程学院(Rice University ‘s Brown School of Engineering)的材料科学家唐明(Ming Tang)和研究生王凡(Fan Wang)开发的分析模型不需要复杂的数值模拟来指导电池组件的选择和设计，以及它们如何相互作用。

在Rice
2上开发的简化模型可以在网上免费访问
2，其精确度在计算密集型算法的10%以内。唐表示，这将使研究人员能够快速评估为地球提供电力的电池的速度能力。

研究结果发表在开放获取的《细胞报告物理科学》杂志上。

明唐

唐说，显然需要更新的模式。

“几乎所有设计和优化电池的人都使用了一种被广泛采用的称为P2D(伪二维)模拟的方法，这种方法的运行成本很高，”唐说。“如果你想优化电池，这尤其会成为一个问题，因为它们有很多变量和参数，需要仔细调整，以最大化性能。

“推动这项工作的是我们意识到我们需要一个更快、更透明的工具来加速设计过程，并提供简单、清晰的见解，而这些见解往往不容易从数值模拟中获得，”他说。

电池的优化通常涉及到论文中所说的能源(它能储存的电量)和功率密度(它的释放速率)之间的“永久权衡”，所有这些都取决于材料、它们的配置和内部结构，如孔隙率。

“有相当多的可调参数与结构，你需要优化，”唐说。“通常，你需要进行数万次计算，有时甚至更多，以搜索参数空间，找到最佳组合。这不是不可能的，但需要很长时间。”

粉丝王

他说，Rice模型可以很容易地用MATLAB和Excel等常用软件实现，甚至可以在计算器上实现。

为了测试这个模型，研究人员让它寻找普通全电池和半电池的最佳孔隙率和电极厚度。在这个过程中，他们发现具有“均匀反应”行为的电极，如镍-锰-钴和镍-钴-氧化铝，最适用于需要厚电极来增加能量密度的应用。

他们还发现，半电池(只有一个电极)天生具有更好的速率能力，这意味着它们的性能并不能作为电极在商业电池中使用的全电池中性能的可靠指标。

研究唐代有关实验室的尝试理解和优化电池电极的微观结构和性能之间的关系,最近的一些论文的主题,表明缺陷阴极速度吸收锂和锂电池如何可以推得太远的追求速度。

唐是材料科学与纳米工程的助理教授。美国能源部支持这项研究。