Los investigadores de NREL Francois Usseglio-Viretta (izquierda) y Nicholas Brunhart-Lupo utilizan el Laboratorio de visualización 3D en el Centro Insight en la Instalación de Integración de Sistemas de Energía de NREL para trabajar en la Caja de Herramientas de Análisis de Microestructura. Las mallas generadas con MATBOX se utilizan luego en otros modelos a escala de microestructura electroquímica NREL para calcular, como se ilustra aquí, concentraciones durante la carga rápida de electrodos de baterías de iones de litio. Las simulaciones revelan una utilización no uniforme del material del ánodo (izquierda), gradiente significativo dentro del electrolito (centro), y las heterogeneidades en el plano (todas las imágenes), los modelos de macroescala unidimensionales de referencia de otro modo se descuidarían. Crédito:Dennis Schroeder, NREL
El rendimiento y la seguridad de las baterías de iones de litio (LIB) se pueden atribuir a microestructuras complejas de electrodos. El análisis de microestructura en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) tiene como objetivo aplicar un conocimiento profundo de los electrodos para predecir el rendimiento de la batería e identificar la arquitectura de microestructura óptima para guiar el desarrollo de LIB.
El modelado a escala de microestructura llevado a cabo por NREL durante los últimos cinco años ha culminado en el recién lanzado, Caja de herramientas de análisis de microestructura de código abierto (MATBOX) dedicada al mallado, generación numérica, segmentación, y caracterización de materiales heterogéneos tridimensionales, como electrodos de batería.
Flujo de trabajo automatizado y centrado en el usuario para un análisis mejorado
"En el análisis de microestructuras, Por lo general, es bastante fácil calcular una propiedad específica. Sin embargo, puede ser mucho más complicado determinar los factores que contribuyen al margen de error para ese resultado, "dijo Francois Usseglio-Viretta, investigador de NREL y diseñador principal de MATBOX. "Un análisis preciso requiere ejecutar cientos de cálculos, lo que lleva a un flujo de trabajo complejo y lento. MATBOX automatiza este proceso ".
MATBOX aprovecha la plataforma informática MATLAB existente para aumentar la comprensión del vínculo entre las microestructuras de electrodos LIB y el rendimiento. MATBOX se centra en proporcionar parámetros de microestructura y mallas tridimensionales necesarias para el modelado LIB. Además, la herramienta utiliza generación numérica tridimensional para el análisis y la optimización del espacio de diseño. Esta aplicación fácil de usar agiliza las tareas complejas y que, de otro modo, llevarían mucho tiempo relacionadas con el análisis de microestructuras para otros materiales.
Un aspecto clave de MATBOX es su compleja interfaz gráfica de usuario y su extensa documentación, permitiendo a los usuarios aprovechar al máximo las capacidades de la caja de herramientas. Esta interfaz garantiza que la herramienta sea fácil de usar y relevante en todas las aplicaciones de análisis de materiales. La herramienta es de código abierto, permitiendo a los investigadores de todas las industrias explorar todo el potencial de MATBOX para guiar experimentos.
"El lanzamiento de MATBOX como una herramienta de código abierto fue importante para fomentar la colaboración continua entre la industria y otros laboratorios, ", Dijo Usseglio-Viretta." Creemos que la herramienta transformará el campo del análisis de materiales heterogéneos, ya que proporciona un todo en uno, fácil de usar, solución personalizable aplicable a una gran variedad de materiales ".
Los primeros resultados refuerzan la investigación de modelos existente
Con su capacidad para soportar modelos electroquímicos a microescala y macroescala, MATBOX se está convirtiendo rápidamente en un paso crítico en el flujo de trabajo de modelado para el programa eXtreme Fast Charge Cell Evaluation of Lithium-Ion Batteries (XCEL) del Departamento de Energía de EE. UU. Hasta aquí, MATBOX ha permitido a los investigadores de XCEL caracterizar varios electrodos fabricados por el Laboratorio Nacional Argonne en su Análisis Celular, Modelado, y la instalación de creación de prototipos e identificar arquitecturas de electrodos prometedoras adaptadas a aplicaciones de carga rápida para vehículos eléctricos.
Sin embargo, El impacto de MATBOX supera la investigación de electrodos por sí sola. Los investigadores del Centro de Recursos Renovables y Ciencias Habilitadoras de NREL están utilizando MATBOX para comparar las diferencias en la porosidad y la estructura de los poros de la madera y el biocarbón para aumentar la precisión del modelado de producción de energía renovable para la pirólisis. Externamente, el University College de Londres, Universidad de Alabama en Huntsville, y Sandia National Laboratories están utilizando MATBOX para ampliar la investigación en tecnologías de baterías, como cátodos con bajo contenido de cobalto.
