Stochastic reconstruction and performance prediction of cathode microstructures based on deep learning

阴极 微观结构 深度学习 人工智能 材料科学 计算机科学 机器学习 冶金 工程类 电气工程
作者
Xinwei Yang,Chunwang He,Le Yang,Wei‐Li Song,Haosen Chen
出处
期刊:Journal of Power Sources [Elsevier]
卷期号:603: 234410-234410
标识
DOI:10.1016/j.jpowsour.2024.234410
摘要

The effective properties of lithium-ion battery (LIB) cathode are determined by both the volume fractions of constituents and the morphological features of microstructure. However, it is difficult to establish an accurate quantitative relationship between the macroscopic effective properties and microstructural features. Deep learning techniques, due to their exceptional nonlinear fitting capabilities, have been widely applied in various complex fields. Our study presents a generation scheme of numerous three-dimensional (3D) digital microstructures of cathode, using a deep convolutional neural network (CNN)-based stochastic reconstruction algorithm combining with the scanning electron microscope (SEM) images. The reconstructed samples are substituted with the corresponding finite element (FE) models, and the effective mechanical and electrochemical properties are assessed through the FE-based homogenization theory. Finally, the generated cathode samples and their effective properties are used to train the 3D CNN for performance prediction. This study demonstrates that the deep learning approaches can accurately and rapidly reconstruct the microstructure of cathode and predict their effective properties. Furthermore, the established framework can be extended to other heterogeneous materials.
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