Le prestazioni e la sicurezza delle batterie agli ioni di litio (LIB) possono essere attribuite a complesse microstrutture di elettrodi. L'analisi della microstruttura presso il National Renewable Energy Laboratory (NREL) mira ad applicare una conoscenza approfondita degli elettrodi per prevedere le prestazioni della batteria e identificare l'architettura microstrutturale ottimale per guidare lo sviluppo di LIB.

La modellazione su scala microstrutturale effettuata da NREL negli ultimi cinque anni è culminata nella nuova pubblicazione, Open-source Microstructure Analysis ToolBox (MATBOX) dedicato al meshing, generazione numerica, segmentazione, e caratterizzazione di materiali eterogenei tridimensionali, come gli elettrodi della batteria.

Flusso di lavoro automatizzato e incentrato sull'utente per un'analisi migliore

"Nell'analisi della microstruttura, di solito è abbastanza facile calcolare una proprietà specifica. Però, può essere molto più complicato determinare i fattori che contribuiscono al margine di errore per quel risultato, " disse Francois Usseglio-Viretta, un ricercatore NREL e capo progettista di MATBOX. "Un'analisi accurata richiede l'esecuzione di centinaia di calcoli, portando a un flusso di lavoro complesso e dispendioso in termini di tempo. MATBOX automatizza questo processo."

MATBOX sfrutta la piattaforma di calcolo MATLAB esistente per aumentare la comprensione del collegamento tra le microstrutture degli elettrodi LIB e le prestazioni. MATBOX si concentra sulla fornitura di parametri di microstruttura e mesh tridimensionali necessari per la modellazione LIB. Inoltre, lo strumento utilizza la generazione numerica tridimensionale per l'analisi e l'ottimizzazione dello spazio di progettazione. Questa applicazione di facile utilizzo semplifica le attività complesse e dispendiose in termini di tempo relative all'analisi della microstruttura per altri materiali.

Un aspetto chiave di MATBOX è la sua complessa interfaccia utente grafica e l'ampia documentazione, consentendo agli utenti di sfruttare appieno le capacità della cassetta degli attrezzi. Questa interfaccia garantisce che lo strumento sia intuitivo e rilevante per le applicazioni di analisi dei materiali. Lo strumento è open source, consentendo ai ricercatori di tutti i settori di esplorare il pieno potenziale di MATBOX per guidare gli esperimenti.

"Il rilascio di MATBOX come strumento open source è stato importante per incoraggiare la collaborazione continua tra l'industria e altri laboratori, " ha detto Usseglio-Viretta. "Riteniamo che lo strumento trasformerà il campo dell'analisi dei materiali eterogenei, in quanto fornisce un all-in-one, facile da usare, soluzione personalizzabile applicabile a una grande varietà di materiali."

I primi risultati rafforzano la ricerca sui modelli esistente

Con la sua capacità di supportare modelli elettrochimici sia su microscala che su macroscala, MATBOX sta rapidamente diventando un passaggio fondamentale nel flusso di lavoro di modellazione per il programma eXtreme Fast Charge Cell Evaluation of Lithium-Ion Batteries (XCEL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. Finora, MATBOX ha permesso ai ricercatori XCEL di caratterizzare vari elettrodi prodotti dall'Argonne National Laboratory presso la sua analisi cellulare, modellazione, e Prototyping Facility e identificare promettenti architetture di elettrodi su misura per applicazioni di ricarica rapida per veicoli elettrici.

Però, L'impatto di MATBOX supera da solo la ricerca sugli elettrodi. I ricercatori del Renewable Resources and Enabling Sciences Center del NREL stanno utilizzando MATBOX per confrontare le differenze di porosità e struttura dei pori del legno e del biochar per aumentare l'accuratezza della modellazione della produzione di energia rinnovabile per la pirolisi. Esternamente, l'University College di Londra, Università dell'Alabama a Huntsville, e i Laboratori Nazionali Sandia utilizzano MATBOX per espandere la ricerca sulle tecnologie delle batterie, come i catodi a basso contenuto di cobalto.