锂离子电池 (LIB) 的性能和安全性可归因于复杂的电极微结构。国家可再生能源实验室 (NREL) 的微结构分析旨在应用对电极的深入了解来预测电池性能并确定最佳微结构架构以指导 LIB 开发。

NREL 在过去五年中进行的微观结构尺度建模最终形成了新发布的开源微观结构分析工具箱 (MATBOX)，该工具箱致力于三维异质材料的网格划分、数值生成、分割和表征，例如电池电极。

以用户为中心的自动化工作流程，用于改进分析

“在微观结构分析中，计算特定属性通常很容易。但是，确定导致该结果误差幅度的因素可能要复杂得多，”NREL 研究员 Francois Usseglio-Viretta 说。 MATBOX 的首席设计师。“准确的分析需要运行数百次计算，从而导致复杂且耗时的工作流程。MATBOX 使此过程自动化。”

MATBOX 利用现有的 MATLAB 计算平台来加深对 LIB电极微结构与性能之间系的理解。MATBOX 专注于提供 LIB 建模所需的微观结构参数和三维网格。此外，该工具使用三维数值生成进行设计空间分析和优化。这个易于使用的应用程序简化了与其他材料的微观结构分析相关的耗时且复杂的任务。

MATBOX 的一个关键方面是其复杂的图形用户界面和广泛的文档，使用户能够充分利用工具箱的功能。该界面确保该工具对用户友好且与材料分析应用程序相关。该工具是开源的，允许来自各行各业的研究人员探索 MATBOX 的全部潜力来指导实验。

“将 MATBOX 作为开源工具发布对于鼓励跨行业和其他实验室的持续合作非常重要，”Usseglio-Viretta 说。“我们相信该工具将​​改变异质材料分析领域，因为它提供了适用于多种材料的一体化、用户友好、可定制的解决方案。”

早期结果支持现有的建模研究

凭借其支持微观和宏观电化学建模的能力，MATBOX 正迅速成为能源部锂离子电池极限快速充电电池评估 (XCEL) 计划建模工作流程中的关键步骤。到目前为止，MATBOX 已允许 XCEL 研究人员在其细胞分析、建模和原型设计设施中表征阿贡国家实验室制造的各种电极，并确定适合电动汽车快速充电应用的有前景的电极架构。

然而，MATBOX 的影响超过了单独的电极研究。NREL 可再生资源和使能科学中心的研究人员正在使用 MATBOX 来比较木材和生物炭的孔隙率和孔隙结构的差异，以提高热解可再生能源生产建模的准确性。在外部，伦敦大学学院、位于亨茨维尔的阿拉巴马大学和桑迪亚国家实验室正在使用 MATBOX 扩大对电池技术的研究，例如低钴阴极。