近日，校区汽车工程学院智能电动车辆研究所在电化学建模领域取得重要进展，研究成果以“Electrochemical modeling in a building blocks’ way“为题发表在化工领域国际顶级期刊Chemical Engineering Journal (CEJ, IF=16.744)上。团队提出了一种广泛适用于电化学建模的新思路。通过所提出的建模框架和方法，可以实现电化学及类似领域的多物理场一致性建模。借助“时变传输线”结构，以锂离子电池为例，像搭积木一样构建了规模可变的全电池模型。该模型不仅方便深入探索第一性原理和机制，还在拟合外特性上具有优势，所建立的模型也为整合交叉学科理论提供了平台。

模型在工程和研究中不可或缺。科研中的大量研究对象，如能源元件、半导体器件、生物结构、微流体等都具有电化学性质。好的电化学模型不仅要成为一种实用的工具，更应该让人对研究对象的机理一目了然、洞察本质。基于第一性原理和外特性拟合的两种建模思路虽然有一定联系但需要进一步探讨，两者具有更加统一的可能性。

团队将一维PNP(Poisson-Nernst-Planck)理论转换为图1所示时变传输线(Time-variant Transmission Line)结构。其中的微元实现了对带电载体输运规律的多物理场描述。类比有限元思想，每个微元被比喻为一块通用的积木，对目标系统的建模就可以理解为搭积木。以锂离子电池（多孔电极）为例，通过图2对其物质输运规律进行了分析和抽象。对图2(c)的结构继续进行空间切分，就可以结合不同“相”的特点开展细致的建模，得到锂离子电池的全电池模型。针对锂离子电池的全电池模型，可以进行如图3的不同类型简化，以便开展工程应用。基于锂离子电池的建模过程，团队尝试将这种建模范式在其他领域进行迁移和应用，给出了图4的固态锂电池、半导体器件MOSFET和选择性生物膜的等效模型，展示了方法的直观性和通用性。

我校机电工程学院2020级博士研究生杨博文为第一作者，王大方教授为通讯作者，硕士研究生孙旭、陈仕钦、博士研究生于贝珂协助完成研究。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.140419

图1 时变传输线模型

图2 锂离子电池的分析

图3 锂离子电池简化模型

图4 固态锂电池、N沟道MOSFET、选择性生物膜模型