A coupled electrochemical-mechanical analysis of unidirectional structural battery composites using multiscale modeling

Abstract

구조 배터리 복합재는 에너지 저장 및 외부 하중 지지체 역할을 할 수 있는 다기능 복합재이다. 구조 배터리 복합재에 사용되는 기계적 물성이 우수한 탄소 섬유 및 에폭시 기반 구조 전해질은 각각 전극 역할과 리튬 이온을 수송한다. 대규모 구조 배터리 복합재의 효과적인 전기화학적 및 기계적 거동을 예측하기 위해 단순화된 모델을 설정하는 것이 중요하다. 여기에서, 우리는 대규모 구조 배터리 복합재의 최적 설계를 위해 다중 규모 모델링을 이용한 전기화학적-기계적 연계 해석을 수행하였다. 전기화학적 및 기계적 균질화 방법을 이용하여 원사 규모 모델을 구축하였다. 동시에, 필라멘트 규모 모델은 균질화 방법 없이 시각적으로 모델링 되었다. 그 후, 각 규모 모델별로 전기화학적 및 기계적 분석을 진행하였고, 두 다른 규모 모델의 유사도를 비교하였다. 3차원 형상 기술자(조밀함과 입방체)와 부피 평균 방법을 이용하여 원사 규모와 필라멘트 규모의 유사성을 검증하였다. 이러한 결과는 다중 규모에서 구조 배터리 복합재의 전기화학적 및 기계적 거동에 대한 이론적인 이해를 제공한다.

Structural battery composites (SBCs) are multifunctional composites that can serve as both an energy storage and external load supporter. Carbon fiber and epoxy-based structural electrolyte with excellent mechanical properties used for SBCs serve as the electrode and transport Li-ion, respectively. Establishing a simplified model is essential to predict the effective electrochemical and mechanical behaviors of large-scale SBCs. Herein, we carried out a coupled electrochemical-mechanical analysis using multiscale modeling for optimum design of large-scale SBCs. A yarn scale model was built using electrochemical and mechanical homogenization methods. In a parallel effort, a filament scale model was visually modeled without any homogenization method. Then, the two models were analyzed and compared. A similarity between the yarn scale and the filament scale was verified by using 3D shape descriptors (compactness and cubeness) and volume-averaged method. These results provide a theoretical understanding of electrochemical and mechanical behaviors of SBCs in multiscale.