一种用于3D打印电池结构件的效能评价方法及系统与流程

本发明提供了一种用于3d打印电池结构件的效能评价方法及系统，属于固态电池制造。

背景技术：

1、固态电池作为新型能源存储技术的代表，具有高能量密度、环保性能以及安全性强的特点，在电动汽车、便携式电子设备等领域有着巨大的市场潜力。随着电动汽车的迅速发展和市场需求的不断增长，固态电池作为下一代电池技术的代表，将逐渐取代传统锂离子电池，成为主流能源储存设备。3d打印技术作为一种高度灵活、定制化制造的方法，正逐渐在各个领域展现出其巨大的潜力。在固态电池制造中，3d打印技术可以实现电池结构的精确定制和复杂几何形状的制造，为电池性能的优化提供了新途径。通过优化电池结构分布、材料选择以及性能预测等方面，3d打印技术有望推动固态电池的制造技术进一步创新，加速其在能源存储领域的应用。

2、国内外固态电池领域取得了显著的研究进展，不仅在电解质材料、电极设计以及界面工程等方面取得了重要突破，还在电池性能的优化和安全性的提升上取得了显著成就。与此同时，3d打印技术也在逐步发展壮大，从传统制造到医疗、航空航天等领域都得到了广泛应用。然而，在固态电池和3d打印技术的融合领域，仍然存在着针对电池结构设计、性能预测、材料选择等方面的研究空白，需要一种综合性的方法来加以解决。

3、综上所述，为了克服固态电池制造中的技术难题，实现电池性能的优化和定制化制造，本发明提出了一种用于3d打印电池结构件的效能评价方法及系统。通过充分利用3d打印技术的优势，结合多尺度模拟和预测函数构建，以及优化算法和电池几何生成界面，本发明为固态电池的设计、分析和制造提供了一种创新的解决方案，有望在能源存储和电池技术领域取得重要的应用前景。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种用于3d打印电池结构件的效能评价方法及系统，以解决固态电池在制造过程中对于电池结构、性能预测等存在的问题，通过考虑不同影响因子的相对权重，实现优化电池结构件分布，提高电池的充电效率和性能。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种用于3d打印电池结构件的效能评价方法，包括如下步骤：

3、s1、根据自适应分层与最短路径规划算法，生成3d打印电池结构件的制造路径；

4、s2、识别不同结构件的相对位置分布，基于预测函数的构造，为每个结构件分配设定的位置和排列；所述预测函数考虑影响因子的相对权重，该预测函数的构造如下：

5、fun充放电效率预测＝ω1·ce+ω2·ck+ω3·ch+ω4·cd，其中：ω为对应变量的权重，ce为电解质渗透性，ck为电极材料热导率，ch为电池结构散热率，cd为电极离子扩散率；

6、s3、根据不同打印材料的物理、化学、机械和电学特性，对各种材料进行权值评估，综合考虑材料的成本、性能、兼容性和可靠性因素，为电池结构件的分布选择最佳的材料组合；

7、s4、根据特定需求单独或联合多种不同后处理方法对电池的内部和外部效应进行数值模拟，基于模拟分析结果，预测电池的性能表现，所述后处理方法包括但不限于数值模拟和建模、多物理场耦合模拟、热管理分析、电化学分析方法；

8、s5、进行可行性分析，考虑3d打印设备的性能和限制、可获得的材料、成本和时间因素，以评估所提出的电池结构件分布方案的可行性。

9、所述电解质渗透性ce考虑电解质的浓度梯度和传输速率，使用fick's第一扩散定律或质量传输方程来描述电解质在电池结构中的传输过程，其表达式如下：

10、

11、上式中：j是物质的扩散通量，刻画了传质速度与浓差的关系，ωj是由用户自己定义的权重，d是电解质的扩散系数，为单位时间t内位置x处的浓度变化，cj是电解质在位置x处的浓度，x是当前测量的物质扩散的方向上的位置或坐标。

12、所述电极材料热导率ck考虑电极材料的热导率、温度梯度和热传导方程，其表达式为：

13、

14、上式中：为热通量，单位为w，ωk是由用户自己定义的权重，a为传热面积，单位为m2，t为温度，单位为k，y为在导热面上的坐标，单位为m。

15、所述电池结构散热率ch使用数值模拟工具、有限元分析软件对电池结构中的热传导进行模拟。

16、所述电极离子扩散率cd的表达式如下：

17、

18、上式中：是离子的扩散通量，ωd是由用户自己定义的权重，是离子的扩散系数，表示离子在材料中传输的速率，是离子浓度的变化，dz是空间的变化，表示了离子从一个位置向另一个位置移动的距离。

19、一种用于3d打印电池结构件的效能评价系统，包括：

20、用于识别影响电池性能的影响因子识别模块：其中影响因子识别模块通过分析不同结构件对电池性能的影响程度和方向，确定各个因子在预测函数中的相对权重，并将其作为输入参数传递给预测函数构建模块；

21、用于构建预测函数，预测电池效率的预测函数构建模块：其中预测函数构建模块根据影响因子识别模块提供的权重参数，构建预测函数，用于评估不同电池结构件分布方案的充放电效率；

22、用于基于多物理场模拟电池内部的电场、热场和质量传输的多尺度模拟模块；

23、用于搜索最佳电池结构件分布的优化算法支持模块；

24、用于根据优化结果生成电池结构件的几何图形的电池几何生成界面。

25、所述预测函数的表达式如下：

26、fun充放电效率预测＝ω1·ce+ω2·ck+ω3·ch+ω4·cd，其中：ω为对应变量的权重，ce为电解质渗透性，ck为电极材料热导率，ch为电池结构散热率，cd为电极离子扩散率。

27、所述电解质渗透性ce表达式如下：

28、

29、上式中：j是物质的扩散通量，刻画了传质速度与浓差的关系，ωj是由用户自己定义的权重，d是电解质的扩散系数，为单位时间t内位置x处的浓度变化，cj是电解质在位置x处的浓度，x是当前测量的物质扩散的方向上的位置或坐标；

30、所述电极材料热导率ck表达式为：

31、

32、上式中：为热通量，单位为w，ωk是由用户自己定义的权重，a为传热面积，单位为m2，t为温度，单位为k，y为在导热面上的坐标，单位为m；

33、所述电极离子扩散率cd的表达式如下：

34、

35、上式中：是离子的扩散通量，ωd是由用户自己定义的权重，是离子的扩散系数，表示离子在材料中传输的速率，是离子浓度的变化，dz是空间的变化，表示了离子从一个位置向另一个位置移动的距离。

36、所述多尺度模拟模块基于多物理场理论，对电池内部的电场、热场和质量传输进行数值模拟，得到电池结构件中的电压、温度、浓度分布情况，所述多尺度模拟模块还能够根据不同后处理方法，对电池效应进行预测。

37、所述电池几何生成界面为交互式界面，用于根据优化算法支持模块提供的最佳电池结构件分布方案，生成相应的电池结构件的几何图形；

38、所述电池几何生成界面包括参数设置、分布优化应用、实时预览和生成与导出功能，用户通过参数设置功能，调整不同打印材料的权值、不同结构件的位置和排列参数；

39、通过分布优化应用功能，启动或停止优化算法，并查看优化过程和结果；

40、通过实时预览功能，查看当前电池结构件分布方案的几何图形，并通过旋转、缩放操作进行观察；

41、通过生成与导出功能，生成最终的电池结构件几何图形，并导出便于3d打印机使用的文件格式。

42、本发明相对于现有技术具备的有益效果为：提供了一种用于3d打印电池结构件的效能评价方法及系统，通过考虑不同影响因子的相对权重，实现优化电池结构件分布，提高电池的充电效率和性能。

43、利用3d打印技术的优势，实现了电池结构的精确定制和复杂几何形状的制造，为电池性能的优化提供了新途径。

44、本发明结合多尺度模拟和预测函数构建，以及优化算法和电池几何生成界面，为固态电池的设计、分析和制造提供了一种创新的解决方案，有望在能源存储和电池技术领域取得重要的应用前景。