多物理场耦合异质锂离子电池模型的计算挑战与跨域求解策略

（编辑推荐）本文系统阐述了异质锂离子电池模型在模拟多孔电极时的三大核心挑战：多域耦合、孔隙率不连续性及质量-电荷耦合机制。作者创新性提出形态学数值方法（morphology-specific approaches）、传递系数矩阵（transfer coefficient matrix）和复合势场法（composite potential field），在自主开发的Electroder?软件中实现小时级高效仿真，为突破P2D模型（pseudo-two-dimension）局限、推动超高性能电池设计提供理论基础。

　　

亮点与结论

挑战与解决方案

本节通过计算方法攻克异质电池系统建模的三大难关：如图3所示，2.1节采用形态学数值方法（morphology-specific numerical approaches）实现多域耦合；2.2节通过新型传递系数矩阵法解决跨域孔隙率不连续问题；2.3节构建复合势场（composite potential field）确保质量-电荷耦合中的通量连续性。

精度验证

为严格验证异质模型数值求解器的准确性，我们将自主开发的仿真结果与实验数据及COMSOL商业软件进行对比。测试采用中信国安盟固利提供的NMC-石墨电池，电解液为1 mol/m³ LiPF₆（EC:DEC:EMC=1:1:1），所有实验均在ESPEC温控箱中完成。

结论

本研究系统解决异质多孔电极模型的三大难题：

1. 1.

   开发针对物理域特性的耦合方法，通过体积源项和梯度边界条件精确模拟团聚体与致密颗粒行为；

2. 2.

   提出传递系数矩阵法，实现跨孔隙率突变界面的全局浓度方程求解；

3. 3.

   构建复合势场严格保障耦合输运机制中的通量连续性。这些方法已应用于我国首个完全自主的电池软件工具链Electroder?，为下一代超高性能电池研发奠定基础。

（注：翻译采用"势场"对应potential field以体现电化学特性，"通量连续性"等术语保留专业表述，LiPF₆等化学式严格遵循原文格式）