基于机理模型的锂离子电池电化学行为及优化研究

发布时间：2021-04-15 01:14

　　锂离子电池因其优异的性能受到了很大的关注,在电子设备、动力电池、能源储备等方面应用较为广泛。然而,锂离子电池由于复杂的构造很难通过实验手段获取电池的工作状态,无法获取电池的工作性能,因此如何能确保电池最优性能以及安全运行具有重要意义。本文基于锂离子电池机理模型对电池进行了研究,从模型参数获取、电池电化学行为、电池优化等方面开展。针对钴酸锂石墨全电池,采用实验手段如恒电流间歇滴定法（PITT）获取正负电极固相扩散系数,采用辨识手段获取电极初始嵌锂量等电极内部参数,将获取的参数代入机理模型中进行仿真。结果表明仿真结果与实验结果有较好的吻合性,最大误差仅为4%,证明了模型具有较高的精度。在此基础上,仿真了不同条件下电池的工作过程,结果表明放电过程中锂离子自负极传输至正极,会导致负极电解液浓度升高、正极电解液浓度下降,大倍率放电结束时电极两侧液相浓差较大;放电过程中负极固相浓度下降,正极固相浓度升高,小倍率放电结束时电极两侧固相浓差较大;颗粒粒径越小,锂离子扩散越充分,电池性能越优越。分别提出优化电池比能量和体积能量密度的方法,通过设计电池内部参数如电极厚度、电极孔隙率、正负电极容量比等提高电... 

【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】：82 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

电池优化前后SEI膜的厚度变化

图 1-5 参数优化后电池的能量密度与电流密度关系[41]硅电极设计，需要考虑不同电池组件之间的相互作模型研究了硅电极中各种形态变化与电化学性能的关过程，仿真了硅半电池充放电过程中电化学阻抗变化进行比对。根据循环过程中Nyquist图发现由于SEI膜时电解液成分对硅电极孔隙率的改变有一定影响进而使用 FEC 添加剂时将会在电极中形成更加稳定的多孔的扩散从而降低极化。Wang[45]等人提出了多物理场微化学反应、锂离子在固液相中的迁移、尺寸和应力随合关系，研究了电池的比容量与颗粒尺寸、液相锂离drasekaran[46]等人仿真了硅复合电极/隔膜/锂箔电池的的初始孔隙率有助于更好的利用活性物质，在低倍率电极的厚度与孔隙率的大小对于活性物质的利用影响电极最佳厚度与孔隙率，同时还定量表明相对于锂离应过程的快慢更加重要。

图 2-1 锂离子电池机理模型示意图实际电池内部反应过程极其复杂，目前为止尚未能有一种模型可以完全将池内部反应描述出来，大多是通过简化内部反应过程来对实际反应过程进行表本模型中有以下几条假设[32,33,35]：（1）电池反应过程中不产生任何气体，仅存在固相和液相过程（2）活性物质颗粒设置为大小一样的球形颗粒（3）电化学反应符合 Bulter-Volmer 方程以正极钴酸锂、负极石墨为例，其工作原理如下：正极反应为：LiCoO2 Li1-xCoO2+ xLi++ xe-(2-1负极反应为：6C + xLi++ xe- LixC6(2-2总反应为：6C + LiCoO2 LixC6+ Li1-xCoO2(2-3以放电过程为例进行说明，当电池与外部负载连成回路时，负极失去电子


本文编号：3138374