Construction of design optimization method of microscopic and macroscopic structures in all-solid-state lithium-ion batteries

全固态锂离子电池微观和宏观结构设计优化方法的构建

基本信息

批准号：
22H01384
负责人：
西脇眞二
金额：
$ 11.07万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2026-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

固体電解質を用いる全固体リチウムイオン電池は，高エネルギ密度，高出力密度，長寿命でかつ，発火性などの安全性の問題を解決できる二次電池として有望視されている．本研究では，バルク型全固体電池を対象に，トポロジー最適化に基づき，高性能な材料構成・形態・形状設計案を導出可能な方法論を構築する．すなわち，全固体電池の性能を決定づける活物質相と電解質相から構成されるコンポジットアノード・カソードのミクロ構造の最適な構成および形態・形状案を導出しながら，マクロ構造の最適化として，全固体電池の電解質相とコンポジットアノード・カソードの境界の形態・形状案を導出可能な方法論を構築する．本年度は，電荷や熱の輸送を記述する支配方程式と電気化学反応の支配方程式の連成関係を明確化し，その連成関係を記述できる数理モデルの構築の検討を行った．すなわち，電子およびリチウムイオンさらには熱の輸送を拡散方程式として記述し，その式と電気化学反応のモデルと連成した数理モデルを構築する検討を進めた．さらに，簡単な数値計算により，解析方法の妥当性を検証した．また，電池の充放電を模擬する計算が可能となり，電池中の各種パラメータが充放電特性や内部物理量分布に及ぼす影響を調べた．特に，活物質中のリチウム輸送の良し悪しによって電極中のリチウムの輸送経路や反応分布が大きく変化し，その結果充放電容量にも影響を及ぼすことが明らかになった．また，活物質中のリチウム輸送の異方性を考慮できる輸送モデルの開発を行い，異方性が性能に及ぼす影響を明らかにした．

使用固体电解质的所有固体锂离子电池被认为是有望作为二级电池，可以解决安全问题，例如高能密度，高功率密度，长寿命和点火。在这项研究中，我们将构建一种方法，该方法可以得出基于拓扑型全稳态电池的拓扑优化的高性能材料组成，形态和形状设计建议。换句话说，我们将得出复合阳极和阴极的最佳构型，形状和形状，这些阳极和阴极由活动材料相和确定所有固态电池性能的性能的活性材料相和电解质相组成，并构建一种可以得出一种可以得出一个可以得出电解质相和组合构造和最佳构造的方式之间边界形状的方法和形状阴极边界。今年，我们阐明了描述电荷和热量传输的管理方程与电化学反应的管理方程之间的耦合关系，并检查了可以描述耦合关系的数学模型的构建。换句话说，我们讨论了电子和锂离子的运输，甚至作为扩散方程的热量，并研究了将方程与电化学反应模型相结合的数学模型的构建。此外，通过简单的数值计算验证了分析方法的有效性。此外，研究了模拟电池充电和放电的计算，并且研究了电池中各种参数对电荷和放电特性以及内部物理量分布的影响。特别是，已经揭示了电极中锂的传输路径和反应分布，这取决于活性材料中锂传输的质量，并且电荷和放电能力也会影响电荷和放电能力。此外，我们开发了一种运输模型，可以考虑活性材料中锂传输的各向异性，并揭示了各向异性对性能的影响。