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公開番号2025071818
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-05-08
出願番号2024186754
出願日2024-10-23
発明の名称メソスケールの不均質均質化を用いた微細構造から連続体へのアップスケーリング方法
出願人ダッソーシステムズアメリカスコーポレイション
代理人名古屋国際弁理士法人
主分類G06F 30/20 20200101AFI20250428BHJP(計算;計数)
要約【課題】微細構造をアップスケールして、空隙率の粗大化された不均質な空間分布と、空隙率に依存する一連の構成的関係を生成する方法を提供する。
【解決手段】微細構造を連続体にアップスケールする方法は、アノード、カソード及びセパレータの各バッテリー構成要素について、3次元(3D)微細構造モデル、バルク材料特性および/または空隙率を受け取り、バッテリー構成要素の微細構造から、空隙率に応じて、創発特性を有する粗大化空隙率モデルを計算し、有効イオン伝導率、電気伝導率、熱伝導率及びイオン拡散率から、各バッテリー構成要素サブ領域のBruggeman係数を計算し、アノード、カソード及びセパレータ材料を1つのセル構造に組み合わせ、それぞれを粗ボクセルに個別に分割して空隙率の3Dモデルを作成することで、不均質なメソスケール3Dバッテリーモデルを作成する。
【選択図】図18
特許請求の範囲【請求項１】
空隙率の粗大化された不均質な空間分布と、空隙率に依存する一連の構成的関係を生成する、微細構造からのアップスケーリング方法であって、
複数のバッテリー構成要素の各々について３次元（３Ｄ）微細構造モデルを受け取るステップであって、前記バッテリー構成要素がアノード、カソード、およびセパレータを備えるステップと、
前記バッテリー構成要素それぞれのバルク材料特性および／または空隙率を受け取るステップと、
前記空隙率に応じて、前記バッテリー構成要素の微細構造から創発特性を持つ粗大化空隙率モデルを計算するステップと、
各バッテリー構成要素サブ領域について、有効イオン伝導率、電気伝導率および熱伝導率、ならびにイオン拡散率のグループからＢｒｕｇｇｅｍａｎ係数を計算するステップと、
不均質メソスケール３Ｄバッテリーモデルを作成するステップと、を含み、前記不均質メソスケール３Ｄバッテリーモデルを作成するステップがさらに
前記アノード、カソード、セパレータの各材料を単一のセル構造に結合するステップと、
前記アノード、カソード、セパレータをそれぞれ個別に粗ボクセルに分割し、空隙率の３Ｄモデルを作成するステップと、を含む方法。
続きを表示（約 900 文字）【請求項２】
前記受け取ったバルク材料特性の空隙率が、複数の要素からなる微細解像度モデルからなり、各要素が、実質的にゼロの空隙率を有する固体または１００％の空隙率を有する細孔のいずれかとして特徴付けられる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記空隙率に応じて前記バッテリー構成要素の微細構造から創発特性を計算するステップが、さらに
各材料のサブ領域の平均空隙率を計算するステップと、
前記粗大化空隙率モデルの各要素に、領域内の全要素の前記平均空隙率を割り当てるステップと、
有限要素メッシュの個々の要素に前記平均空隙率を割り当てるステップと、を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記ボクセルが、前記アノード、カソードおよびセパレータの各々について、全体を通して一様なボクセルサイズで一意に定義される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記粗大化された画像と構成的関係を用いてＡｂａｑｕｓ入力ファイルを作成するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記粗大化された空隙率モデルおよび関連する構成的関係を連続体電気化学ソルバへの入力として受け取るステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
飽和度に応じて有効特性を決定するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
毛管圧対飽和度の曲線を計算するステップと、飽和度変化に伴う間隙圧の変化を計算するステップとをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
３ＤＮｅｗｍａｎモデル（１６５）をシミュレートするステップをさらに含み、前記連続体電気化学ソルバが３ＤＮｅｗｍａｎモデルシミュレータからなる、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
前記３ＤＮｅｗｍａｎモデル（１６５）の自由度から性能と経年変化の指標（１７０）を計算するステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【発明の詳細な説明】
【０００１】
［関連出願との相互参照］
本願は、「メソスケールの不均質均質化を用いた微細構造から連続体へのアップスケーリングによるリチウムイオンバッテリーの電気化学モデリング方法」と題する、２０２３年１０月２３日に出願された米国仮特許出願第６３／５９２，３２５号の利益を主張するものであり、その全体が参照により本明細書に援用される。
［発明の分野］
本発明は、リチウムイオンバッテリーを用いた持続可能なエネルギー貯蔵とそれに関連する電気化学シミュレーションに関し、より具体的には、バッテリー性能に対する不均質性の影響を判断するためのフレームワークに関する。
［発明の背景］
科学文献では、リチウムイオンバッテリーの電気化学モデルには２つのタイプがあり、どちらも実用的な方法で性能と経年変化するドライバを捉えることに関連する欠点がある。
続きを表示（約 3,200 文字）【０００２】
（１）有限要素（ＦＥ）解析のような、連続体モデリング。そこでは、要素は、均質化された材料特性（化学組成とモデル化された微細構造の挙動）を説明する自由度を有するミリメートルの範囲内である。このことがフルセルバッテリーをシミュレートする能力を提供する一方で、連続体モデリングは、モデル化された微細構造挙動に一般的な経験的関係を用いるか、あるいは入手が困難な実験室での測定を必要とする。
【０００３】
（２）微細構造モデリング。そこでは、サブマイクロメートルの解像度により、実際の微細構造挙動を捉えられるが、サンプルサイズが小さいものに限られる。微細構造モデリングは、一般的な経験的関係の代わりに正確な微細構造挙動を提供し、入手が困難な実験室データの必要性を低減する。しかし、必要とされる自由度の数が膨大であるため、微細構造モデリングでフルセルの挙動をシミュレートすることは現実的ではない。
【０００４】
微細構造モデリングによって捉えられる特性の不均質性から生じる精度は、性能、経年変化、劣化のシミュレーションにとって重要であるが、フルセルレベルのシミュレーションに必要なモデルサイズは、現在のコンピューティング能力では実現不可能である。そのため、現在のところ、微細構造モデリングアプローチに基づく完全な解決策はない。既存の連続体モデルは通常、各材料（アノード、カソード、セパレータ）に一様な材料特性を割り当てるが、これは既存の不均質性を無視できると（誤って）仮定している。そのため、微細構造モデルから連続体モデルへと不均質性をアップスケールする必要がある。
［発明の概要］
本発明の実施形態は、性能、経年変化、および劣化に対する微細な不均質性の影響を維持しながら、合理的で実用可能な粗解像度モデルサイズ内で、微細解像度のバッテリー微細構造特性評価（マイクロメートルスケール）と粗解像度のバッテリー電気化学シミュレーション（ミリメートルスケール）とを結合する方法を提供する。
【０００５】
微細構造は、空隙率の粗大化された不均質な空間分布と、空隙率に依存する一連の構成的関係を生成するためにアップスケールされる。アノード、カソード、セパレータの各バッテリー構成要素について、３次元（３Ｄ）微細構造モデル、バルク材料特性、および／または空隙率を受け取る。バッテリー構成要素の微細構造から、空隙率に応じて、創発特性を持つ粗大化空隙率モデルが計算される。有効イオン伝導率、電気伝導率、熱伝導率、イオン拡散率から、各バッテリー構成要素サブ領域のＢｒｕｇｇｅｍａｎ係数を計算する。不均質メソスケール３Ｄバッテリーモデルは、アノード、カソード、セパレータ材料を１つのセル構造に組み合わせ、それぞれを別々に粗ボクセルに分割して空隙率の３Ｄモデルを作成することによって作成される。
【０００６】
本発明の他のシステム、方法、および特徴は、以下の図面および詳細な説明を検討することにより、当業者には明らかである、または明らかになるであろう。このような追加のシステム、方法、および特徴はすべて、本明細書に含まれ、本発明の範囲内にあり、添付の特許請求の範囲によって保護されることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
添付の図面は、本発明のさらなる理解を提供するために含まれ、本明細書に組み込まれて本明細書の一部を構成する。図面の構成要素は必ずしも縮尺通りではなく、代わりに本発明の原理を明確に示すことに重点が置かれている。図面は本発明の実施形態を示すものであり、本明細書とともに本発明の原理を説明する役割を果たす。
ワークフロー、シミュレーションフレームワークの例示的な第１の実施形態の概要を示すフローチャートである。
屈曲性の２つの対照的な例を示す図である。
Ｂｒｕｇｇｅｍａｎ係数／構成的関係をフィッティングする例示的なプロセスを示す図である。
計算可能な構成的関係の例を示す一連の４つのプロットある。
材料特性の基本ケースと均質ケースを示す図である。
基本セルと均質セルを比較した、３Ｃ（上）と６Ｃ（下）における電圧／ＯＣＶ対ＳＯＣ曲線を示す。
不均質バッテリーセルと均質バッテリーセルを得るための粗大化プロセスの一例を示す図である。
カソード、セパレータ、アノードの相対的な空隙率を示す図７の詳細図である。
均質セルと不均質セルを比較した３Ｃ（上）と６Ｃ（下）における電圧／ＯＣＶ対ＳＯＣ曲線を示すプロットである。
３Ｃおよび６Ｃにおける、セパレータ面におけるアノードめっき電位（ＥＰＯＴＬＰＬ）対ＳＯＣのプロットを示す。
空隙率に対するめっき電位の分布（上）、めっきが発生する場所の図解（中央）、および不均質セルと均質セルにおけるめっき電位の分布（下）を示す。
均質セルと不均質セルを比較した、充電段階終了時のセパレータ近傍のアノード面におけるめっき電位（ＥＰＯＴＬＰＬ）の等高線図である。
不均質セルと最適化セルの空隙率分布の説明図である。
不均質セルと最適化セルを比較した、２．４Ｃ（上）と４．８Ｃ（下）における電圧／ＯＣＶ対ＳＯＣ曲線のプロットである。
不均質セルと最適化セルを比較した、２．４Ｃと４．８Ｃにおけるセパレータ表面のアノードめっき電位（ＥＰＯＴＬＰＬ）とＳＯＣのプロットを示す。
ＥＰＯＴＬＰＬと空隙率との分布（上）、および不均質セルと最適化セルにおけるＥＰＯＴＬＰＬの分布（下）を示す。
不均質セルと最適化セルを比較した、充電段階終了時のセパレータ近傍のアノード面におけるＥＰＯＴＬＰＬの等高線図である。
微細構造を連続体にアップスケールする方法の例示的な実施形態のフローチャートである。
本発明の機能を実行するためのシステムの一例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下の定義は、本明細書に開示される実施形態の特徴に適用される用語の解釈に有用であり、本開示内の要素を定義することのみを意図する。
【０００９】
本開示で使用される場合、「Ａｂａｑｕｓ」は、１９７８年に最初にリリースされた有限要素解析およびコンピュータ支援エンジニアリングのためのソフトウェアスイートを指す。Ａｂａｑｕｓは、様々な環境条件に対する構造物および固体の物理的応答をシミュレートするために使用されるエンジニアリング解析ソフトウェアパッケージのスイートである。Ａｂａｑｕｓは、エンジニアが様々な産業における複雑な問題をシミュレーションするのに使用されている。本開示で使用される場合、「Ｎｅｗｍａｎモデル」とは、バッテリーセルの充放電をシミュレートするためにＡｂａｑｕｓで利用される理論的な電気化学フレームワークを指す。Ａｂａｑｕｓは、熱、膨潤、および弾性理論と組み合わせて、バッテリーセルの設計と最適化を支援するバッテリーマルチフィジックスをシミュレーションするフレームワークを提供する。例えば、Ｎｅｗｍａｎモデルを使用して、濃度、電位、温度、変位、および間隙圧を自由度として計算できる。
【００１０】
本開示で使用される場合、「Ｂｒｕｇｇｅｍａｎ関係」および「Ｂｒｕｇｇｅｍａｎ指数」は、粒状多孔質媒体の空隙率と屈曲度の関係を指す。Ｂｒｕｇｇｅｍａｎ関係は、Ｂｒｕｇｇｅｍａｎ指数と呼ばれる指数に対する空隙率の逆べき乗則であり、この指数の値は通常０．５と仮定される。
（【００１１】以降は省略されています）

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