Image of Data-driven stochastic 3D modeling of the nanoporous binder-conductive additive phase in battery cathodes
Penanda Bagikan

Electronic Resource

Data-driven stochastic 3D modeling of the nanoporous binder-conductive additive phase in battery cathodes

A stochastic 3D modeling approach for the nanoporous binder-conductive additive phase in hierarchically structured cathodes of lithium-ion batteries is presented. The binder-conductive additive phase of these electrodes consists of carbon black, polyvinylidene difluoride binder and graphite particles. For its stochastic 3D modeling, a three-step procedure based on methods from stochastic geometry is used. First, the graphite particles are described by a Boolean model with ellipsoidal grains. Second, the mixture of carbon black and binder is modeled by an excursion set of a Gaussian random field in the complement of the graphite particles. Third, large pore regions within the mixture of carbon black and binder are described by a Boolean model with spherical grains. The model parameters are calibrated to 3D image data of cathodes in lithium-ion batteries acquired by focused ion beam scanning electron microscopy. Subsequently, model validation is performed by comparing model realizations with measured image data in terms of various morphological descriptors that are not used for model fitting. Finally, we use the stochastic 3D model for predictive simulations, where we generate virtual, yet realistic, image data of nanoporous binder-conductive additives with varying amounts of graphite particles. Based on these virtual nanostructures, we can investigate structure-property relationships. In particular, we quantitatively study the influence of graphite particles on effective transport properties in the nanoporous binder-conductive additive phase, which have a crucial impact on electrochemical processes in the cathode and thus on the performance of battery cells.

Pendekatan pemodelan 3D stokastik untuk fase aditif konduktif-pengikat nanopori dalam katoda baterai litium-ion yang terstruktur secara hierarkis disajikan. Fase aditif konduktif-pengikat dari elektroda ini terdiri dari karbon hitam, pengikat polivinilidena difluorida, dan partikel grafit. Untuk pemodelan 3D stokastiknya, prosedur tiga langkah berdasarkan metode dari geometri stokastik digunakan. Pertama, partikel grafit dijelaskan oleh model Boolean dengan butiran elipsoidal. Kedua, campuran karbon hitam dan pengikat dimodelkan oleh himpunan ekskursi medan acak Gaussian dalam komplemen partikel grafit. Ketiga, daerah pori besar dalam campuran karbon hitam dan pengikat dijelaskan oleh model Boolean dengan butiran bulat. Parameter model dikalibrasi dengan data citra 3D katoda dalam baterai litium-ion yang diperoleh dengan mikroskop elektron pemindaian berkas ion terfokus. Selanjutnya, validasi model dilakukan dengan membandingkan realisasi model dengan data citra terukur berdasarkan berbagai deskriptor morfologi yang tidak digunakan untuk pemasangan model. Terakhir, kami menggunakan model 3D stokastik untuk simulasi prediktif, di mana kami menghasilkan data citra virtual namun realistis dari aditif konduktif-pengikat nanopori dengan jumlah partikel grafit yang bervariasi. Berdasarkan nanostruktur virtual ini, kami dapat menyelidiki hubungan struktur-properti. Secara khusus, kami mempelajari secara kuantitatif pengaruh partikel grafit terhadap sifat transpor efektif dalam fase aditif konduktif-pengikat nanopori, yang memiliki dampak krusial pada proses elektrokimia di katoda dan dengan demikian pada kinerja sel baterai.

Ketersediaan

Tidak ada salinan data

Informasi Detail
Judul Seri
Journal of Mathematics in Industry
No. Panggil
-
Penerbit
: Springer Nature.,
Deskripsi Fisik
Hal. 1 - 25
Bahasa
English
ISBN/ISSN
21905983
Klasifikasi
NONE
Tipe Isi
text
Tipe Media
computer
Tipe Pembawa
online resource
Edisi
15, Article number: 9
Subjek
Stochastic 3D modeling
Stochastic geometry
Structure-property relationship
Statistical image analysis
Info Detail Spesifik
-
Pernyataan Tanggungjawab
Versi lain/terkait

Tidak tersedia versi lain

Lampiran Berkas
Komentar
Anda harus masuk sebelum memberikan komentar