Prestanda och säkerhet för litiumjonbatterier (LIB) kan tillskrivas komplexa elektrodmikrostrukturer. Mikrostrukturanalys vid National Renewable Energy Laboratory (NREL) syftar till att tillämpa djupgående kunskap om elektroderna för att förutsäga batteriprestanda och identifiera optimal mikrostrukturarkitektur för att vägleda LIB-utvecklingen.

Mikrostrukturskala modellering utförd av NREL under de senaste fem åren har kulminerat i den nyligen släppta, öppen källkod Microstructure Analysis ToolBox (MATBOX) dedikerad till meshing, numerisk generation, segmentering, och karakterisering av tredimensionella heterogena material, såsom batterielektroder.

Automatiserat och användarcentrerat arbetsflöde för förbättrad analys

"I mikrostrukturanalys, det är vanligtvis ganska enkelt att beräkna en specifik egenskap. Dock, det kan vara mycket mer komplicerat att bestämma de faktorer som bidrar till felmarginalen för det resultatet, "sade Francois Usseglio-Viretta, en NREL-forskare och huvuddesigner av MATBOX. "Exakt analys kräver att hundratals beräkningar körs, leder till ett komplext och tidskrävande arbetsflöde. MATBOX automatiserar denna process."

MATBOX utnyttjar den befintliga MATLAB-datorplattformen för att öka förståelsen för kopplingen mellan LIB-elektrodmikrostrukturer och prestanda. MATBOX fokuserar på att tillhandahålla mikrostrukturparametrar och tredimensionella nät som är nödvändiga för LIB-modellering. Dessutom, verktyget använder tredimensionell numerisk generering för designrumsanalys och optimering. Denna lättanvända applikation effektiviserar de annars tidskrävande och komplexa uppgifterna relaterade till mikrostrukturanalys för andra material.

En viktig aspekt av MATBOX är dess komplexa grafiska användargränssnitt och omfattande dokumentation, så att användarna kan dra full nytta av verktygslådans funktioner. Detta gränssnitt säkerställer att verktyget är både användarvänligt och relevant för materialanalysapplikationer. Verktyget är öppen källkod, ger forskare från olika branscher möjlighet att utforska den fulla potentialen hos MATBOX för att vägleda experiment.

"Att släppa MATBOX som ett verktyg med öppen källkod var viktigt för att uppmuntra fortsatt samarbete mellan industrin och andra laboratorier, ", sa Usseglio-Viretta. "Vi tror att verktyget kommer att förändra området för heterogen materialanalys, eftersom det ger en allt-i-ett, användarvänlig, anpassningsbar lösning som kan tillämpas på en mängd olika material."

Tidiga resultat stärker befintlig modellforskning

Med sin förmåga att stödja elektrokemisk modellering i både mikroskala och makroskala, MATBOX håller snabbt på att bli ett kritiskt steg i modelleringsarbetsflödet för det amerikanska energidepartementets program för utvärdering av litiumjonbatterier (XCEL) för eXtreme Fast Charge Cell Evaluation. Än så länge, MATBOX har tillåtit XCEL-forskare att karakterisera olika elektroder tillverkade av Argonne National Laboratory vid dess cellanalys, Modellering, och Prototyping Facility och identifiera lovande elektrodarkitekturer skräddarsydda för snabbladdningstillämpningar för elfordon.

Dock, MATBOX:s inverkan överträffar enbart elektrodforskning. Forskare vid NREL:s Renewable Resources and Enabling Sciences Center använder MATBOX för att jämföra skillnaderna i porositet och porstruktur hos trä och biokol för att öka noggrannheten i modellering av förnybar energiproduktion för pyrolys. Externt, University College London, University of Alabama i Huntsville, och Sandia National Laboratories använder MATBOX för att utöka forskningen om batteriteknologi, såsom lågkoboltkatoder.