鋰離子電池 (LIB) 的性能和安全性可歸因于復雜的電極微結構。國家可再生能源實驗室 (NREL) 的微結構分析旨在應用對電極的深入了解來預測電池性能并確定最佳微結構架構以指導 LIB 開發(fā)。

NREL 在過去五年中進行的微觀結構尺度建模最終形成了新發(fā)布的開源微觀結構分析工具箱 (MATBOX)，該工具箱致力于三維異質材料的網(wǎng)格劃分、數(shù)值生成、分割和表征，例如電池電極。

以用戶為中心的自動化工作流程，用于改進分析

“在微觀結構分析中，計算特定屬性通常很容易。但是，確定導致該結果誤差幅度的因素可能要復雜得多，”NREL 研究員 Francois Usseglio-Viretta 說。 MATBOX 的首席設計師。“準確的分析需要運行數(shù)百次計算，從而導致復雜且耗時的工作流程。MATBOX 使此過程自動化。”

MATBOX 利用現(xiàn)有的 MATLAB 計算平臺來加深對 LIB電極微結構與性能之間系的理解。MATBOX 專注于提供 LIB 建模所需的微觀結構參數(shù)和三維網(wǎng)格。此外，該工具使用三維數(shù)值生成進行設計空間分析和優(yōu)化。這個易于使用的應用程序簡化了與其他材料的微觀結構分析相關的耗時且復雜的任務。

MATBOX 的一個關鍵方面是其復雜的圖形用戶界面和廣泛的文檔，使用戶能夠充分利用工具箱的功能。該界面確保該工具對用戶友好且與材料分析應用程序相關。該工具是開源的，允許來自各行各業(yè)的研究人員探索 MATBOX 的全部潛力來指導實驗。

“將 MATBOX 作為開源工具發(fā)布對于鼓勵跨行業(yè)和其他實驗室的持續(xù)合作非常重要，”Usseglio-Viretta 說。“我們相信該工具將??改變異質材料分析領域，因為它提供了適用于多種材料的一體化、用戶友好、可定制的解決方案。”

早期結果支持現(xiàn)有的建模研究

憑借其支持微觀和宏觀電化學建模的能力，MATBOX 正迅速成為能源部鋰離子電池極限快速充電電池評估 (XCEL) 計劃建模工作流程中的關鍵步驟。到目前為止，MATBOX 已允許 XCEL 研究人員在其細胞分析、建模和原型設計設施中表征阿貢國家實驗室制造的各種電極，并確定適合電動汽車快速充電應用的有前景的電極架構。

然而，MATBOX 的影響超過了單獨的電極研究。NREL 可再生資源和使能科學中心的研究人員正在使用 MATBOX 來比較木材和生物炭的孔隙率和孔隙結構的差異，以提高熱解可再生能源生產(chǎn)建模的準確性。在外部，倫敦大學學院、位于亨茨維爾的阿拉巴馬大學和桑迪亞國家實驗室正在使用 MATBOX 擴大對電池技術的研究，例如低鈷陰極。