迷雾中的灯塔 ——理论模拟为三维结构电池的发展“保驾护航”

小型独立设备的不断发展，使得人们对于高能量和高功率储能设备的需求与日俱增。具有三维结构电极的电池是理想的电源设备之一，其高比表面积、高材料负载量以及独特的序构可以有效地提升电池的能量与功率密度，打破传统二维薄层电极中能量与功率相互耦合的壁垒。近年来研究者们对于三维结构电池的研究已经取得了一定的进展，但大多集中于电极结构的实验设计以及材料的优化合成等方面，而对于能够有助于全面和深入的理解电池的动力学特性与电极结构演变的理论模拟和分析却有所忽视。

近日，苏州大学的王珍珠、倪江锋、李亮和阿贡国家实验室的陆俊在细胞出版社旗下期刊Cell Reports Physical Science发表题为ʺTheoretical Simulation and Modeling of Three-Dimensional Batteriesʺ的综述。文章系统地总结了电池模拟的理论基础及近些年三维结构的电池在理论模拟方面的进展，并对其后续发展提出了见解，旨在加强理论研究与实验设计的结合，促进储能电池的进一步发展。

三维电池的理论模拟主要围绕电极的电流分布、电极的充放电状态和电极结构演变进行分析，主要的工具为有限元模拟，主要的研究对象包括（1）叉指结构、（2）同心结构和（3）非周期性多孔结构的三维电池。

一、叉指结构

叉指结构利用正负极相互交错的平板或者棒状结构实现。电极中电流密度分布不均是其存在的固有问题，而由此导致的局部极化以及电极边缘的副反应可能是影响电池能量提升的关键。理论模拟结果指出，通过调节电极形状，改变电极高度以及提高电极和电解液的导电率等方式可以改善叉指结构电池的电流分布问题。

二、同心结构

正负极的同心结构以及二者之间的薄电解质层可以进一步提升电池的能量密度。而且，同心结构可以极大地降低正负极之间的距离，从而加快电荷转移的速率，提升电池的倍率性能。理论模拟表明，调整同心结构间的距离与电极的高度可以实现电池材料的充分利用。

三、非周期孔结构

非周期孔结构电池因其独特的孔结构，可以为电子和离子提供多个传输通道，促进高性能电池的进一步开发。在非周期孔结构电池中，孔隙率是影响电极电流分布和电极材料利用率的关键性因素。通过分析理论模拟的结果，可以更有针对性地调整电极的孔隙结构，从而实现电极的优化设计。

综上所述，理论模拟为电池结构的构建和优化提供了参考标准，为三维结构电池的发展提供了理论支撑。随着数值仿真技术的不断发展，研究者能够建立更符合电极实际状态，更准确表现电极在电化学过程中演变和更为通用的理论模型，为三维结构电池的进一步发展“保驾护航”。

本文由苏州大学李亮老师课题组投稿。