(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111433503.4 (22)申请日 2021.11.29 (71)申请人 华中科技大 学 地址 430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路 1037号 (72)发明人 周华民　熊若愚　张云　陈逸夫　 严波　李茂源　杨辉　李德群　 (74)专利代理 机构 武汉华之喻知识产权代理有 限公司 42 267 代理人 李君　廖盈春 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G16C 60/00(2019.01) G06T 17/20(2006.01) G06F 111/10(2020.01) (54)发明名称 一种锂离子电池电极多相多尺度建模方法 及系统 (57)摘要 本发明提供了一种锂离子电池电极多相多 尺度建模 方法及系统， 属于锂离子电池的计算机 仿真技术领域， 方法包括： 计算碳胶相区域的平 均孔隙率和曲折度； 通过X  ray‑CT对锂离子电池 电极样品逐层扫描建立三维几何重构模型； 应用 反应动力学模型表征活性材料相表面的电化学 反应速率； 应用浓溶液理论建立电解液区域的锂 离子传输方程和液相电势场方程； 采用欧姆定律 表征活性材料和碳胶相区域上的固相电势场； 根 据碳胶相平均孔隙率和曲折度对扩散系数和电 导率进行修正； 根据固相模型建立活性材料内部 的物质扩散对应的浓度场； 进一步地， 对模型进 行数值求解， 获取锂离子电池电极的参数。 本发 明在准确率和效率方面得到 了平衡。 权利要求书2页 说明书8页 附图2页 CN 114139371 A 2022.03.04 CN 114139371 A 1.一种锂离 子电池电极多相多尺度建模方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 通过X ray‑CT对锂离子电池电极样品逐层扫 描获取活性材料相、 孔隙相和碳胶相的空 间分布， 建立 三维几何重构模型； 在三维几何重构模型的基础上， 结合电化学反应速率方程、 修正后的锂离子传输方程、 修正后的液相电势场方程、 修正后的固相电势场方程和物质浓度场方程， 构建锂离子电池 电极多相多尺度模型； 其中， 所述电化学反应速率方程的获取方法为： 根据活性材料种类， 应用反应动力学模 型表征活性材 料相表面获取； 所述物质浓度场方程的获取方法为： 根据活性材料种类， 应用相应的固相模型表征活 性材料内部物质浓度获取； 所述修正后的锂离子传输方程、 修正后的液相电势场方程和修正后的固相电势场方程 的获取方法为： 应用浓溶液理论建立电解液 的锂离子传输方程和液相电势场方程； 采用欧 姆定律表征活性材料和碳胶相区域上的电子传输， 建立固相电势场方程； 采用FIB ‑SEM获取 锂离子电池电极样品中碳胶相的纳米孔隙结构图像， 计算碳胶相区域的平均孔隙率和曲折 度； 基于碳胶相区域的所述平均孔隙率和所述 曲折度， 对锂离子传输方程中的扩散系 数进 行修正， 同时对液相电势场方程和固相电势场方程的电导 率进行修 正； 其中， 所述三维几何重构模型的活性材料、 孔隙和碳胶相三相体积比例与样品的材料 组分对应的体积比例一 致。 2.根据权利要求1所述的锂离子电池电极多相多尺度建模方法， 其特征在于， 采用所述 FIB‑SEM获取样品至少3处的纳米孔隙结构图像， 求取碳胶相的平均孔隙率和曲折度。 3.权利要求1或2所述的锂离子电池电极多相多尺度建模方法， 其特征在于， 所述曲折 度的计算方法为采用Bruggeman公式计算， 或基于图像构建孔隙率和曲折度的数学关系计 算， 或根据传质过程的数值模拟逆向估计获取。 4.根据权利要求3所述的锂离子电池电极多相多尺度建模方法， 其特征在于， 还包括以 下步骤： 对锂离子电池电极多相多尺度模型进行网格剖分； 根据边界条件， 结合剖分后的锂离子电池电极多相多尺度模型和锂离子电池的隔膜区 设置， 求解锂离子电池电极多相多尺度模型， 获得锂离 子电池电极的物理场分布。 5.根据权利要求4所述的锂离子电池电极多相多尺度建模方法， 其特征在于， 所述边界 条件包括： 孔隙相与活性材料相之间的边界条件、 碳胶相与活性材料相之 间的边界条件、 碳 胶相和孔隙相之间的边界条件、 隔膜锂金属侧 边界条件、 电极集流体侧 边界条件以及周期 边界条件。 6.一种锂离 子电池电极多相多尺度建模系统， 其特 征在于， 包括： 碳胶相参数计算模块， 用于采用FIB ‑SEM获取锂离子电池电极样品中碳胶相的纳米孔 隙结构图像， 计算 碳胶相区域的平均孔隙率和曲折度； 三维几何重构模型的建立模块， 用于通过X  ray‑CT对锂离子电池电极样品逐层扫 描获 取活性材 料相、 孔隙相和碳胶相的空间分布， 建立 三维几何重构模型； 反应动力学模型的应用模块， 根据活性材料种类， 应用反应动力学模型表征活性材料 相表面的电化学反应速率方程；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114139371 A 2浓溶液理论应用模块， 用于基于所述三维几何重构模型， 应用浓溶液理论建立孔隙相 和碳胶相所在电解液的锂离 子传输方程和液相电势场方程； 欧姆定律应用模块， 用于采用欧姆定律表征活性材料和碳胶相区域上的 电子传输， 建 立固相电势场方程； 多孔介质输运修正模型的应用模块， 用于基于碳胶相区域的所述平均孔隙率和所述曲 折度， 对锂离子传输方程中的扩散系 数进行修正， 同时对液态电势场方程和固相电势场方 程的电导 率进行修 正； 固相模型应用模块， 用于根据活性材料种类应用相应的固相模型， 建立活性材料内部 的物质浓度场方程； 多相多尺度模型的建立模块， 用于在三维几何重构模型的基础上， 结合电化学反应速 率方程、 修正后的锂离子传输方程、 修正后的液相电势场方程、 修正后的固相电势场方程和 物质浓度场方程， 构建锂离 子电池电极多相多尺度模型； 其中， 所述三维几何重构模型的活性材料、 孔隙和碳胶相三相体积比例与样品的材料 组分对应的体积比例一 致。 7.根据权利要求6所述的锂离子电池电极多相多尺度建模系统， 其特征在于， 采用所述 FIB‑SEM获取样品至少3处的纳米孔隙结构图像， 求取碳胶相的平均孔隙率和曲折度。 8.根据权利要求6或7所述的锂离子电池电极多相多尺度建模系统， 其特征在于， 所述 曲折度的计算方法为采用Bruggeman公式计算， 或基于图像构建孔隙率和曲折度的数学关 系计算， 或根据传质过程的数值模拟逆向估计获取。 9.根据权利要求8所述的锂离子电池电极多相多尺度建模系统， 其特征在于， 还包括锂 离子电池电极参数求解模块， 用于对锂离子电池电极多相多尺度模型进行网格剖分； 根据 边界条件， 结合剖分后的锂离子电池电极多相多尺度模型和锂离子电池的隔膜 区设置， 求 解锂离子电池电极多相多尺度模型， 获得锂离 子电池电极的物理场分布。 10.根据权利要求9所述的锂离子电池电极多相多尺度建模系统， 其特征在于， 所述边 界条件包括： 孔隙相与活性材料相之间的边界条件、 碳胶相与活性材料相之 间的边界条件、 碳胶相和 孔隙相之间的边界条件、 隔膜锂金属侧 边界条件、 电极集流体侧 边界条件以及周 期边界条件。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114139371 A 3