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孟穎/張明浩團(tuán)隊(duì)，最新ACS Energy Letters！

成果簡介

在本文中，芝加哥大學(xué)孟穎教授和加州大學(xué)圣地亞哥分校張明浩教授（共同通訊作者）等人報(bào)道了一種耦合有限元法（FEM）和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）工作流程來優(yōu)化厚正極（約150 μm，8 mAh/cm²）的倍率性能?；趩蝹€(gè)LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂（NMC₈₁₁）顆粒的幾何觀測值及其由FEM模型預(yù)測的平均放電狀態(tài)（SOD），修正了ML模型。該模型不僅繞過了冗長的有限元模擬，而且對孔隙彎曲度和活性粒徑的重要性提供了更深入的了解，被認(rèn)為是排放過程中的限制現(xiàn)象。基于這些發(fā)現(xiàn)，作者提出了一種雙層結(jié)構(gòu)來解決已確定的倍率性能限制因素，該結(jié)構(gòu)電極的優(yōu)點(diǎn)是通過FEM通過比較其性能的原始單層電極驗(yàn)證。最后，作者使用干法處理的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，對比已報(bào)道的厚NMC電極，雙層電極的體積容量提高了40%。

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研究背景

通過增加電極內(nèi)活性物質(zhì)的體積，可存儲(chǔ)更多的能量，使電動(dòng)汽車（EV）一次充電可以行駛更遠(yuǎn)的距離。然而，厚電極的充電能力不足，導(dǎo)致電動(dòng)汽車的充電時(shí)間比目前的充電時(shí)間還要長。由于彎曲的C網(wǎng)絡(luò)造成的有限的電子導(dǎo)電性，可能是由于潤濕性差、孔隙相彎曲以及離子到達(dá)集流器的擴(kuò)散路徑較長，導(dǎo)致離子傳輸緩慢。使用計(jì)算三維有限元方法（FEM）模擬，限制了對大范圍參數(shù)及其個(gè)別影響進(jìn)行徹底分析的能力。機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）是加速預(yù)測的合適方法，即使對于實(shí)驗(yàn)輸入。雖然這種方法極大減少了準(zhǔn)確預(yù)測所需的時(shí)間和資源，但它仍然缺乏關(guān)于SOD與電極特征之間關(guān)系的更深入的見解。在厚電極的背景下，無論是通過孔道設(shè)計(jì)的優(yōu)化還是基于制造參數(shù)的性能預(yù)測，都只對石墨電極進(jìn)行了研究。

圖1. 開發(fā)計(jì)算方法的工作示意圖

圖文導(dǎo)讀

作者使用描述的數(shù)據(jù)集訓(xùn)練隨機(jī)森林算法，并將其對新數(shù)據(jù)集的預(yù)測與實(shí)際FEM模擬輸出進(jìn)行比較。每個(gè)點(diǎn)代表給定DOD處的一個(gè)顆粒。x=y曲線與某一點(diǎn)的距離越大，預(yù)測誤差越大。通過FEM模擬和ML算法的預(yù)測，在放電結(jié)束時(shí)繪制了3-D的SOD。只有少數(shù)粒子在有限元模擬和ML預(yù)測之間表現(xiàn)出明顯的差異，因?yàn)槊總€(gè)COMSOL模擬需要幾個(gè)小時(shí)來計(jì)算，而ML工作流程的預(yù)測時(shí)間要低2個(gè)數(shù)量級（約1 min）。

圖2. 厚電極的ML驗(yàn)證

作者驗(yàn)證了數(shù)據(jù)集的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的SHAP值，并且每個(gè)特征從上到下從影響最大到影響最小排序。通過電解質(zhì)扭曲度的離子傳輸是SHAP值范圍最大的特征，低扭曲度誘導(dǎo)了更好的NMC₈₁₁利用率。觀察到相反的趨勢，NMC₈₁₁顆粒在分離器附近被更多地利用，而曲率隨著靠近集流器而增加，證實(shí)了電解質(zhì)扭曲對顆粒利用的影響。關(guān)于NMC₈₁₁顆粒的體積，作者發(fā)現(xiàn)較小的顆粒會(huì)比較大的顆粒具有更高的SOD。3組NMC₈₁₁顆粒的SOD分布表明，較大顆粒的分布峰對應(yīng)于較低的SOD。

圖3. 高倍率性能的限制因素

圖4. 結(jié)構(gòu)化雙層電極設(shè)計(jì)的建模驗(yàn)證

作者為原始和雙層電極（均為8 mAh/cm²）制備了3個(gè)硬幣電池。在低倍率下獲得類似的放電容量，直到C/2閾值，其中雙分子層優(yōu)于原始電極。雙層半電池在8 mA/cm²（1 C）電流密度下的平均放電容量為86 mAh/g_NMC，在4 mA/cm²（C/2）電流密度下的平均放電容量為168 mAh/g_NMC，分別比原始硬幣電池（8 mA/cm²時(shí)38 mAh/g_NMC和4 mA/cm²時(shí)135 mAh/g_NMC）高125%和25%左右。在給定倍率下，值的分散在低倍率下可以忽略不計(jì)（雙分子層在C/10時(shí)的范圍約為7 mAh/g_NMC），但在較高倍率下顯著增加（雙分子層在1 C時(shí)的范圍約為54 mAh/g_NMC）。

圖5. 雙層厚電極的性能

圖6. 在高倍率下放電容量與面積負(fù)載和體積容量的函數(shù)關(guān)系

文獻(xiàn)信息

Improved Rate Capability for Dry Thick Electrodes through Finite Elements Method and Machine Learning Coupling. ACS Energy Lett., 2024, DOI: https://doi.org/10.1021/acsenergylett.4c00203.

原創(chuàng)文章，作者：Jenny（小琦），如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2024/03/27/8642736fc8/

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