基于电阻网络模型预测固态电池复合电极的离子/电子/热输运特性

为解决固态电池复合电极中多相输运特性难以快速预测的问题，Lukas Ketter团队开发了一种基于体素结构的电阻网络模型。该模型通过模拟LiNi0.83Co0.11Mn0.06O2-Li6PS5Cl（NCM83-LPSCl）体系的离子电导率(σion)、电子电导率(σe)和热导率(κ)，验证了其与实验数据的一致性，并成功推广至其他固态电解质体系。这种低计算成本的预测工具为优化复合电极组成提供了新思路。

　　

在能源存储领域，固态电池（SSB）因其高安全性和能量密度被视为下一代电池技术的重要候选者。然而，其复合电极中复杂的多相输运特性——包括离子、电子和热量的协同传输——成为制约性能提升的关键瓶颈。传统实验方法需要耗费大量时间调整电极组成和微观结构，而高精度的微观模拟又面临计算资源消耗大的困境。这一矛盾促使研究者寻求更高效的预测工具。

针对这一挑战，德国明斯特大学的研究团队在《Nature Communications》发表了一项创新研究。他们开发了一种基于电阻网络模型的预测框架，通过简化的体素结构模拟复合电极的输运行为。该模型成功应用于NCM83-LPSCl正极复合材料体系，预测结果与实验测量的σ_ion、σ_e和κ高度吻合，并进一步验证了对其他固态电解质系统的普适性。这项研究为快速筛选电极配方提供了新范式。

研究主要采用三类关键技术：1）通过电化学阻抗谱（EIS）和直流极化法测定复合材料的σ_ion和σ_e；2）利用激光闪射法（LFA）结合热容计算获取κ；3）构建300×300×300体素的电阻网络模型，通过稳态温度/电势分布计算有效输运参数。所有实验样品均通过软磨法制备，并采用原位X射线衍射验证材料稳定性。

电阻网络建模方法
研究团队将复合材料抽象为LPSCl和NCM83两种体素的组合，每个2μm×2μm×2μm的体素赋予相应相的本征输运参数。通过施加虚拟梯度场并迭代求解稳态条件，模型成功捕捉到体积分数变化对输运性能的非线性影响。特别值得注意的是，当NCM83体积分数（φ_NCM）达40%时，σ_ion与σ_e实现最佳平衡（约10^-3 S/cm量级），这与实验数据偏差小于一个数量级。

电荷输运特性
实验显示φ_NCM从20%增至60%时，σ_e提升三个数量级（10^-3→10⁰ mS/cm），而σ_ion则降低五个数量级（10⁰→10^-5 mS/cm）。电阻网络模型准确再现了这一趋势，尤其在渗流阈值附近的表现优于传统有效介质理论。添加1-5 wt.%气相生长碳纤维（VGCF）可使σ_e提升百倍，但对σ_ion影响甚微，这一现象被模型归因于电子通路的优先形成。

热输运特性
所有复合材料均表现出异常低的热导率（<1 W/m·K），且随φ_NCM增加仅缓慢上升。模型分析揭示界面热阻（ITR）是关键制约因素——当设置LPSCl/NCM83界面热阻为2×10^-6 m²K/W时，模拟结果与实验数据误差降至5%以内。这解释了为何高导热添加剂VGCF对整体κ改善有限，因其难以克服固有的界面声子散射。

模型普适性验证
研究团队通过三个典型案例验证模型的广泛适用性：1）准确预测LiMn₂O₄-Li₃InCl₆体系的σ_ion/σ_e变化规律；2）重现多孔LPSCl热导率随密度降低的衰减曲线；3）成功模拟PEO基电解质中绝缘颗粒尺寸效应——小尺寸（1μm）颗粒比大尺寸（10μm）颗粒更显著降低σ_ion，与文献报道一致。

这项研究建立了首个能同步预测固态电池复合电极中离子、电子和热输运特性的简化模型。其核心价值在于：1）仅需输入各相本征参数即可快速评估不同组成/微观结构的性能，大幅减少实验试错成本；2）揭示界面热阻是限制热管理的潜在瓶颈，为界面工程指明方向；3）开源代码设计使研究者能灵活扩展至其他体系。尽管模型对复杂形貌的刻画仍有局限，但其在指导电极设计方面的实用价值已得到充分验证，为加速固态电池开发提供了重要工具。