Morphological constants of porous media to predict effective properties for electrochemical devices (Open access)
Jaeyeon Kim, Muhammad Aziz*
Keywords: Porous media morphology; Effective transport properties; Kozeny-Carman equation; Bruggeman relation; Lattice Boltzmann method; Flow maldistribution index
DOI: 10.1016/j.partic.2026.01.017
电化学器件性能高度依赖其多孔介质的传输特性。传统表征与预测方法往往参数复杂、适用性受限。本文通过理论建模与实验验证，系统讨论了颗粒状、纤维状和泡沫状三种典型多孔结构的固相（导电/导热）和孔隙相（扩散/渗透）的耦合传输行为，建立了形态常数（Morphological constants）与电导率、渗透率、传质系数等关键特性的直接关联。
首先，利用随机排列算法和Voronoi分割算法构建了三种典型3D多孔结构模型。然后，利用有限差分法（FDM）和格子玻尔兹曼方法（LBM）进行了多物理场模拟，定量描述了多孔介质几何结构特征与用于表征传输特性的关键性能（电/热传导、质量传输和渗透性）之间的关联关系，并利用流场不均匀性分布指数（Flow maldistribution index, FMI）评估了局部区域的速度、质量浓度、温度的分布情况。进一步，针对不同几何形态结构提出了相应的关联式与形态常数（Morphological constants）。仅通过 “结构形态 + 孔隙率” 即可实现对有效电导率、扩散系数及渗透率的准确预测，摆脱了传统方法依赖于Kozeny-Carman方程的局限。
本文提出了一个基于形态学的多孔介质结构优化的理论框架，使电化学器件从微观结构设计到宏观性能预判更精准、更高效，为多孔电极的设计及性能优化提供了理论指导和辅助工具。
相关研究成果发表于PARTICUOLOGY（Volume 110），欢迎感兴趣的读者扫描下方二维码或者点击文末“阅读原文”进入ScienceDirect官网阅读、下载！
编辑、排版：《颗粒学报》编辑部
文章信息
Kim, J., & Aziz, M. (2026). Morphological constants of porous media to predict effective properties for electrochemical devices. Particuology, 110, 180-194. https://doi.org/10.1016/j.partic.2026.01.017