迷霧中的燈塔 ——理論模擬為三維結構電池的發展“保駕護航”

小型獨立設備的不斷發展，使得人們對于高能量和高功率儲能設備的需求與日俱增。具有三維結構電極的電池是理想的電源設備之一，其高比表面積、高材料負載量以及獨特的序構可以有效地提升電池的能量與功率密度，打破傳統二維薄層電極中能量與功率相互耦合的壁壘。近年來研究者們對于三維結構電池的研究已經取得了一定的進展，但大多集中于電極結構的實驗設計以及材料的優化合成等方面，而對于能夠有助于全面和深入的理解電池的動力學特性與電極結構演變的理論模擬和分析卻有所忽視。

近日，蘇州大學的王珍珠、倪江鋒、李亮和阿貢國家實驗室的陸俊在細胞出版社旗下期刊Cell Reports Physical Science發表題為?Theoretical Simulation and Modeling of Three-Dimensional Batteries?的綜述。文章系統地總結了電池模擬的理論基礎及近些年三維結構的電池在理論模擬方面的進展，并對其后續發展提出了見解，旨在加強理論研究與實驗設計的結合，促進儲能電池的進一步發展。

三維電池的理論模擬主要圍繞電極的電流分布、電極的充放電狀態和電極結構演變進行分析，主要的工具為有限元模擬，主要的研究對象包括（1）叉指結構、（2）同心結構和（3）非周期性多孔結構的三維電池。

一、叉指結構

叉指結構利用正負極相互交錯的平板或者棒狀結構實現。電極中電流密度分布不均是其存在的固有問題，而由此導致的局部極化以及電極邊緣的副反應可能是影響電池能量提升的關鍵。理論模擬結果指出，通過調節電極形狀，改變電極高度以及提高電極和電解液的導電率等方式可以改善叉指結構電池的電流分布問題。

二、同心結構

正負極的同心結構以及二者之間的薄電解質層可以進一步提升電池的能量密度。而且，同心結構可以極大地降低正負極之間的距離，從而加快電荷轉移的速率，提升電池的倍率性能。理論模擬表明，調整同心結構間的距離與電極的高度可以實現電池材料的充分利用。

三、非周期孔結構

非周期孔結構電池因其獨特的孔結構，可以為電子和離子提供多個傳輸通道，促進高性能電池的進一步開發。在非周期孔結構電池中，孔隙率是影響電極電流分布和電極材料利用率的關鍵性因素。通過分析理論模擬的結果，可以更有針對性地調整電極的孔隙結構，從而實現電極的優化設計。

綜上所述，理論模擬為電池結構的構建和優化提供了參考標準，為三維結構電池的發展提供了理論支撐。隨著數值仿真技術的不斷發展，研究者能夠建立更符合電極實際狀態，更準確表現電極在電化學過程中演變和更為通用的理論模型，為三維結構電池的進一步發展“保駕護航”。

本文由蘇州大學李亮老師課題組投稿。