用于多孔电极设计的拓扑优化

多孔电极是许多电化学器件的重要组成部分，因其具有高孔隙率以最大化电化学传输，以及高比表面积以最大化活性。传统的多孔电极材料通常是均匀、随机分布的小尺度颗粒集合，很少有机会设计更高性能。幸运的是，先进制造与增材制造的最新突破正带来跨尺度构造和图案化多孔电极的新方法。这些结构化电极正成为一项有前景的新技术以持续提升性能；然而，应采用何种结构仍不明确，且鲜有工具可指导其设计。本工作通过应用拓扑优化于多孔电极设计来弥补这一空白。我们在两个应用上展示了我们的框架：驱动稳态法拉第反应的多孔电极，以及超级电容器中瞬态工作的电极。我们给出了在计算上设计的、在半电池中最小化能量损失的电极。对于低电导率材料，优化算法创造出具有跨尺度层次结构的电极设计。此外，所设计的电极表现优于未设计的均匀电极。最后，我们给出了三维多孔电极设计。由此我们建立了一个用于设计多孔电极的拓扑优化框架。