(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111583700.4 (22)申请日 2021.12.2 2 (71)申请人 华中科技大 学 地址 430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路 1037号 (72)发明人 陈子光　田陈文　周志昆　彭诩淏　 (74)专利代理 机构 北京金智普华知识产权代理 有限公司 1 1401 代理人 张晓博 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种电镀电极演化仿真系统 (57)摘要 本发明属于电池充电过程和工业电镀过程 的数值模拟技术领域， 公开了一种电镀电极演化 仿真系统。 通过非局部理论描述电镀过程中复杂 的固液界面演化行为， 建立基于近场动力学的反 应扩散模型， 将电镀过程视为与实际电化学机理 相结合的反应项， 结合电化学测试结果直接推导 获得反应项与电流及过电势之间的关系式， 计算 电解液和镀层中的金属浓度演化， 结合自主相变 机制， 模拟电镀过程中非均匀化生长、 固液相变 的问题， 并得到快充导致的枝晶生长、 不规则电 极表面镀层形貌演化等电镀过程中的物理化学 演化过程， 实现对电镀电极演化的模拟预测。 本 发明计算复现电镀电极演化过程， 实现对电镀电 极镀层电极演化的捕捉， 可辅助工程师设计得到 预期的镀层效果。 权利要求书3页 说明书6页 附图4页 CN 114266158 A 2022.04.01 CN 114266158 A 1.一种电镀演化仿真系统， 其特征在于， 通过非局部理论描述电镀过程中复杂的固液 界面演化行为， 建立基于近场动力学 的反应扩散模型， 将电镀过程视为与实际电化学机理 相结合的反应项， 结合电化学测试结果直接推导获得反应项与电流及过电势之间的关系 式， 计算电解液和镀层中的金属浓度演化， 结合自主相变机制， 模拟电镀过程中非均匀化生 长、 固液相变的问题， 并得到快充导致的枝晶生长、 不规则电极表 面镀层形貌演化等电镀过 程中的物理化学演化过程， 实现对电镀电极演化的模拟预测； 所述的非局部理论描述电镀 过程中复杂电镀层演化行为包括： 步骤一， 建立针对电镀过程的近场动力学反应扩散方程； 步骤二， 引入液 ‑固相变机制， 构建镀层演化模型； 步骤三， 根据实验参数定义边界条件和初始条件及模型中的物理化学参数， 并将相应 参数输入编辑完成的For tran程序； 步骤四， 开发近场动力学反应扩散模型的动态求解器， 进行模拟计算并导出演化结果 (结果可包括： 固体形状演化、 溶 液金属离子浓度分布演化和固体金属浓度演化 等)。 所述的基于 近场动力学的反应 ‑电镀模型， 描述如下： 其中， R(x,t)是反应项(描述电镀界面的物理化学过程)； Hx是近场域(近场动力学理论 中的非局部作用范围)； 是电解质中金属离子的浓度， CM是固体中金属原子 的浓度； J (x′,x,t)是微扩散通 量(描述电镀液中的离 子扩散过程)， 可表示 为： 其中， δ 为近场域半径， d(x,t)近场动力学微扩散系数； 所述的反应项， 通过推导得到它与电流密度和过电势的关系如下： 其中， i0和βa为可通过电化学极化曲线计算得到的常数， η是过电位， ia是电流密度， k是 常数； 所述模型在考虑扩散过程 时， 采用的是基于近场动力学理论的非局部模型， 在模型中， 节点扩散通过节点与近场域内的所有其 余节点间的扩散 键发生作用； 正如上述方程中表示的， 该模型认为反应是局部作用， 但反应过程受非局部效应影响， 为了考虑电镀过程中反应的非局部性， 本模型中提出含有 “反应层”的反应模型， 在模型中 反应不仅仅发生在与液体临近的那一层固体节点中， 而是发生在固液界面附近一层厚度为 δ 的整个薄层中。 2.如权利要求1所述的电镀电极演化仿真系统， 其特征在于， 步骤二中所述的液 ‑固相权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114266158 A 2变机制和镀层演化模型包括： 构建引入溶液的金属原子饱和浓度Csat的液‑固相变模式和电镀界面随固体界面移动 的镀层演化机制， 包括： (1)当某个液体节点的金属原子浓度高于电解质中的饱和浓度Csat时， 则该液体节点被 转变成固体节点； (2)当固液界面因相变发生变化时， 模型的 “反应层”也随之发生变化， 即镀层位置也发 生相应的变化。 为了表征固体节点的完整性， 引入参数孔隙率ρ 。 其孔隙率为1， 即为达到最大浓度的固 体节点； 孔隙率 为0， 即为纯粹的液体节点， 则该参数 可近似表达为： 在PD模型中， 将孔隙率ρ 考虑为相应节点近场域内非机 械键占总键的比率： 。 3.如权利要求1所述的一种电镀电极演化仿真系统， 其特征在于， 步骤三中所述根据实 验参数定义 边界条件和初始条件， 包括： 1)为了减小边界效应的影响， 在原边界外增添一个边界层， 将边界条件施加在边界层 上； 2)根据实验参数设定合 适的初始条件和边界条件。 4.如权利要求1所述的一种电镀电极演化仿真系统， 其特征在于， 步骤四中所述模拟计 算并导出 结果， 包括： 编写Fortran程序， 输入必要参数并在程序软件中运行计算， 得到电镀形貌演化， 即枝 晶生长演化和电镀液中金属离 子浓度分布演化 等结果。 5.一种应用如权利要求1～4任意一项所述的基于近场动力学反应扩散模型的电镀模 拟方法的一种电镀电极演化仿真系统， 其特 征在于， 所述 一种电镀电极演化仿真系统包括： 动力学模型构建模块， 用于建立反应 ‑电镀近场动力学模型； 机制引入 模块， 用于引入液 ‑固相变机制； 条件定义模块， 用于根据实验参数定义 边界条件和初始条件； 模拟计算模块， 用于进行模拟计算并导出 结果。 6.一种计算机设备， 其特征在于， 所述计算机设备包括存储器和处理器， 所述存储器存 储有计算机程序， 所述计算机程序被所述处 理器执行时， 使得 所述处理器执行如下步骤： 通过非局部理论描述电镀过程中复杂的固液界面演化行为， 建立基于近场动力学的反 应扩散模型， 将电镀过程视为与实际电化学机理相结合的反应项， 结合电化学测试结果直 接推导获得反应项与电流及过电势之间的关系式， 计算电解液和镀层中的金属浓度演化， 结合自主相变机制， 模拟电镀过程中非均匀化生长、 固液相变的问题， 并得到快充导致的枝 晶生长、 不规则电极表面镀层形貌演化等电镀过程中的物理化学演化过程， 实现对电镀电 极演化的模拟预测。 7.一种计算机可读存储介质， 存储有计算机程序， 所述计算机程序被处理器执行时， 使 得所述处理器执行如下步骤：权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114266158 A 3