Les chercheurs du NREL, François Usseglio-Viretta (à gauche) et Nicholas Brunhart-Lupo, utilisent le laboratoire de visualisation 3D du Insight Center de l'Energy Systems Integration Facility du NREL pour travailler sur la Microstructure Analysis ToolBox. Les maillages générés avec MATBOX sont ensuite utilisés dans d'autres modèles à l'échelle de la microstructure électrochimique du NREL pour calculer, comme illustré ici, concentrations pendant la charge rapide des électrodes des batteries lithium-ion. Les simulations révèlent une utilisation non uniforme du matériau de l'anode (à gauche), gradient important au sein de l'électrolyte (centre), et les hétérogénéités dans le plan (toutes les images) que les modèles macro-échelle unidimensionnels de base seraient autrement négligés. Crédit :Dennis Schroeder, NREL
Les performances et la sécurité des batteries lithium-ion (LIB) peuvent être attribuées à des microstructures d'électrodes complexes. L'analyse de la microstructure au Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) vise à appliquer une connaissance approfondie des électrodes pour prédire les performances des batteries et identifier l'architecture microstructure optimale pour guider le développement du LIB.
La modélisation à l'échelle de la microstructure réalisée par le NREL au cours des cinq dernières années a abouti à la nouvelle version, Microstructure Analysis ToolBox (MATBOX) open source dédié au maillage, génération numérique, segmentation, et caractérisation de matériaux hétérogènes tridimensionnels, comme les électrodes de batterie.
Flux de travail automatisé et centré sur l'utilisateur pour une analyse améliorée
"En analyse de microstructure, il est généralement assez facile de calculer une propriété spécifique. Cependant, il peut être beaucoup plus compliqué de déterminer les facteurs qui contribuent à la marge d'erreur pour ce résultat, " dit François Usseglio-Viretta, un chercheur du NREL et concepteur principal de MATBOX. "Une analyse précise nécessite d'exécuter des centaines de calculs, conduisant à un flux de travail complexe et chronophage. MATBOX automatise ce processus."
MATBOX s'appuie sur la plate-forme informatique MATLAB existante pour mieux comprendre le lien entre les microstructures des électrodes LIB et les performances. MATBOX se concentre sur la fourniture de paramètres de microstructure et de maillages tridimensionnels nécessaires à la modélisation LIB. En outre, l'outil utilise une génération numérique tridimensionnelle pour l'analyse et l'optimisation de l'espace de conception. Cette application facile à utiliser rationalise les tâches autrement longues et complexes liées à l'analyse de la microstructure pour d'autres matériaux.
Un aspect clé de MATBOX est son interface utilisateur graphique complexe et sa documentation complète, permettant aux utilisateurs de tirer pleinement parti des capacités de la boîte à outils. Cette interface garantit que l'outil est à la fois convivial et pertinent pour toutes les applications d'analyse de matériaux. L'outil est open source, permettant aux chercheurs de tous les secteurs d'explorer le plein potentiel de MATBOX pour guider les expériences.
« Lancer MATBOX en tant qu'outil open source était important pour encourager une collaboration continue entre l'industrie et d'autres laboratoires, " a déclaré Usseglio-Viretta. " Nous pensons que l'outil va transformer le domaine de l'analyse des matériaux hétérogènes, car il fournit un tout-en-un, convivial, solution personnalisable applicable à une grande variété de matériaux."
Les premiers résultats renforcent la recherche de modélisation existante
Grâce à sa capacité à prendre en charge la modélisation électrochimique à la fois à l'échelle microscopique et macroscopique, MATBOX devient rapidement une étape critique dans le flux de travail de modélisation pour le programme eXtreme Fast Charge Cell Evaluation of Lithium-Ion Batteries (XCEL) du département américain de l'Énergie. Jusque là, MATBOX a permis aux chercheurs de XCEL de caractériser diverses électrodes fabriquées par le Laboratoire National d'Argonne au niveau de son Analyse Cellulaire, La modélisation, et l'installation de prototypage et identifier des architectures d'électrodes prometteuses adaptées aux applications de charge rapide pour les véhicules électriques.
Cependant, L'impact de MATBOX surpasse la seule recherche sur les électrodes. Des chercheurs du Renewable Resources and Enabling Sciences Center du NREL utilisent MATBOX pour comparer les différences de porosité et de structure des pores du bois et du biochar pour augmenter la précision de la modélisation de la production d'énergie renouvelable pour la pyrolyse. Extérieurement, l'University College de Londres, Université de l'Alabama à Huntsville, et Sandia National Laboratories utilisent MATBOX pour étendre la recherche sur les technologies de batterie, telles que les cathodes à faible teneur en cobalt.
