随着新能源电池对高能量密度与长循环寿命需求的不断提升，电极微观结构的优化设计成为提升电池性能的关键。本项目针对石墨/硅复合异构电极，开展多尺度模型均质化研究，构建全三维电化学-力学耦合仿真模型，系统分析电极在充放电过程中的锂离子传输特性、电化学阻抗响应及结构应力演化规律，为高稳定性电极设计提供仿真依据。
技术关键词：
电池仿真 · 多尺度建模 · 电化学-力学耦合 · 电极均质化 · 结构应力分析
异构电极由活性颗粒、黏结剂、导电剂及孔隙组成，具有显著的非均匀特性。传统细观仿真计算量大，难以应用于宏观器件分析；而宏观均质模型又往往忽略微观结构的影响。因此，构建跨尺度均质化模型，实现从微观结构到宏观性能的定量关联，成为电池仿真领域的重要研究方向。
基于FIB-SEM扫描数据（分辨率50nm），重构包含石墨/硅颗粒、黏结剂、导电剂及孔隙的三维RVE模型
尺寸：20μm×20μm×20μm，满足统计代表性要求
将均质化RVE等效为宏观单元，构建尺寸为10mm×5mm×100μm的电极模型
集成集流体与电解质层，形成完整电化学-结构耦合仿真体系
瞬态放电分析：模拟1C/2C/5C倍率下的电压-容量响应
EIS阻抗分析：频域求解，频率范围10⁻²-10⁵ Hz
将SOC分布转化为体积应变，施加于活性颗粒
分析颗粒与黏结剂的应力分布及演化
均质化模型与细观模型的放电曲线误差 <3%
计算效率提升约2个数量级（从72小时缩短至3小时）
全三维模型显示锂离子在电极厚度方向呈梯度分布
硅颗粒聚集区出现浓度“凹陷”，最大浓度差达800 mol/m³
揭示微观结构异质性对离子传输的显著影响
阻抗谱呈现典型“高频半圆-中频半圆-低频斜线”特征
硅颗粒使电荷转移阻抗增加约25%，主要源于SEI膜影响
均质化模型可精准解析各阻抗成分贡献
硅颗粒最大von Mises应力达800 MPa，远超其断裂强度
应力集中位于颗粒棱角与聚集区域
石墨颗粒应力仅50 MPa，结构稳定
SOC从1降至0.1时，黏结剂剪切应力从0.5 MPa增至1.8 MPa
高倍率下应力进一步增大，接近PVDF屈服强度
易导致界面剥离与结构失效
材料配比优化：控制硅颗粒含量与分布，降低应力集中
黏结剂选择：选用高韧性黏结剂材料，提升界面结合强度
结构设计：优化颗粒尺寸分布，减少聚集效应
提高倍率性能：改善离子传输路径，降低极化
延长循环寿命：缓解膨胀应力，避免颗粒破裂与界面失效
提升安全性：控制局部过热与应力集中区域
我们在新能源电池多物理场仿真领域具备以下技术专长：
微观结构重构与RVE分析
跨尺度均质化参数提取
宏观器件级耦合仿真
电化学-热-力学全耦合仿真
瞬态与频域响应分析
循环老化与寿命预测
电极配方优化设计
电池包热管理与安全分析
快充策略与寿命评估
