锂离子电池的电化学模型的构建方法及仿真方法技术

本发明专利技术公开了锂离子电池的电化学模型的构建方法及仿真方法，该电化学模型的构建过程中，考虑了锂离子在电解液中的扩散过程，锂离子从活性材料的内部向表面及从表面向内部的扩散过程，电解液的电势分布、活性材料的电势分布、锂离子嵌入和脱出的反应过程、以及活性材料在二维空间的分布状态，也就是说，该电化学模型将正极和负极的介观形貌导入至模型中，并将固体和液体的锂离子交换细化至边界条件处，设置在固液交界处发生锂离子交换；在利用该电化学模型进行仿真后，得到的仿真结果更加符合锂离子电池本身的特性，仿真结果更加准确可靠，从而可以为后续锂离子电池的分析和应用提供可靠的参考。提供可靠的参考。提供可靠的参考。

【技术实现步骤摘要】
锂离子电池的电化学模型的构建方法及仿真方法


[0001]本专利技术涉及电池
，尤指锂离子电池的电化学模型的构建方法及仿真方法。

技术介绍

[0002]锂离子电池的电化学模型，一般为P2D(Pseudo
‑
two
‑
dimensions，准二维)模型，该模型对正极和负极进行了简化，仅考虑了正极和负极的孔隙率和曲折率，使得基于P2D电化学模型进行仿真后，得到的仿真结果的精准度较低。

技术实现思路

[0003]本专利技术实施例提供了锂离子电池的电化学模型的构建方法及仿真方法，用以构建一种新的电化学模型，该电化学模型考虑了正极和负极的介观形貌，使得基于该电化学模型进行仿真后，可以有效提高仿真结果的精准度。
[0004]第一方面，本专利技术实施例提供了一种锂离子电池的电化学模型的构建方法，所述锂离子电池包括：正极、负极和电解液；其中，所述正极和所述负极均包括：极片、以及位于所述极片表面的活性材料；该构建方法包括：
[0005]根据所述活性材料在二维空间的分布状态，对所述锂离子电池进行区域划分；
[0006]根据所述活性材料在二维空间的分布状态，分别确定所述锂离子在所述电解液中的第一扩散过程、所述锂离子从所述活性材料的内部向表面及从所述活性材料的表面向内部的第二扩散过程、所述电解液的电势分布、所述活性材料的电势分布、以及所述锂离子从所述活性材料的表面嵌入和脱出的反应过程；
[0007]根据划分出的各区域、所述第一扩散过程、所述第二扩散过程、所述电解液的电势分布、所述活性材料的电势分布、以及所述反应过程，构建所述锂离子电池的电化学模型。
[0008]第二方面，本专利技术实施例提供了一种仿真方法，包括：
[0009]根据如本专利技术实施例提供的上述构建方法构建得到的电化学模型，采用模拟仿真平台建立锂离子电池的仿真模型；
[0010]采用所述仿真模型，根据输入参数进行仿真，得到仿真结果；
[0011]其中，所述输入参数包括：所述锂离子电池中极片表面的所述活性材料在二维空间的分布状态。
[0012]本专利技术有益效果如下：
[0013]本专利技术实施例提供的锂离子电池的电化学模型的构建方法及仿真方法，该电化学模型的构建过程中，考虑了锂离子在电解液中的第一扩散过程，锂离子从活性材料的内部向表面及从表面向内部的第二扩散过程，电解液的电势分布、活性材料的电势分布、锂离子嵌入和脱出的反应过程、以及活性材料在二维空间的分布状态，也就是说，该电化学模型将正极和负极的介观形貌导入至模型中，并根据活性材料在二维空间的分布状态，对锂离子电池进行区域划分，再基于划分出的区域，构建了一种基于介观形貌的电化学模型；在利用
该电化学模型进行仿真后，得到的仿真结果更加符合锂离子电池本身的特性，仿真结果更加准确可靠，从而可以为后续锂离子电池的分析和应用提供可靠的参考。
附图说明
[0014]图1为本专利技术实施例中提供的一种锂离子电池的电化学模型的构建方法的流程图；
[0015]图2为本专利技术实施例中提供的一种锂离子电池内活性材料的分布状态；
[0016]图3为与图2对应的区域的划分示意图；
[0017]图4为本专利技术实施例中提供的一种仿真方法的流程图；
[0018]图5为本专利技术实施例中提供的一种扫描电镜图；
[0019]图6为本专利技术实施例中提供的不同时刻不同位置的液相锂离子浓度的分布图；
[0020]图7为本专利技术实施例中提供的不同时刻不同位置的固相锂离子浓度的分布图；
[0021]图8为本专利技术实施例中提供的充电结束时液相电势的分布图；
[0022]图9为本专利技术实施例中提供的充电结束时固相电势的分布图；
[0023]图10为本专利技术实施例中提供的预测的锂离子电池的充电曲线。
具体实施方式
[0024]下面将结合附图，对本专利技术实施例提供的锂离子电池的电化学模型的构建方法及仿真方法的具体实施方式进行详细地说明。需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0025]本专利技术实施例提供了一种锂离子电池的电化学模型的构建方法，锂离子电池包括：正极、负极和电解液；其中，正极和负极均包括：极片、以及位于极片表面的活性材料；
[0026]当然，锂离子电池还可以包括：位于正极和负极之间的隔膜；
[0027]如图1所示，该构建方法可以包括：
[0028]S101、根据活性材料在二维空间的分布状态，对锂离子电池进行区域划分；
[0029]其中，活性材料在二维空间的分布状态，可以理解为：正极和负极表面的介观形貌。
[0030]S102、根据活性材料在二维空间的分布状态，分别确定锂离子在电解液中的第一扩散过程、锂离子从活性材料的内部向表面及从活性材料的表面向内部的第二扩散过程、电解液的电势分布、活性材料的电势分布、以及锂离子从活性材料的表面嵌入和脱出的反应过程；
[0031]S103、根据划分出的各区域、第一扩散过程、第二扩散过程、电解液的电势分布、活性材料的电势分布、以及反应过程，构建锂离子电池的电化学模型。
[0032]如此，该电化学模型的构建过程中，考虑了锂离子在电解液中的第一扩散过程，锂离子从活性材料的内部向表面及从表面向内部的第二扩散过程，电解液的电势分布、活性材料的电势分布、锂离子嵌入和脱出的反应过程、以及活性材料在二维空间的分布状态，也就是说，该电化学模型将正极和负极的介观形貌导入至模型中，并根据活性材料在二维空间的分布状态，对锂离子电池进行区域划分，再基于划分出的区域，构建了一种基于介观形
貌的电化学模型，将固体和液体的锂离子交换细化至边界条件处，设置在固液交界处发生锂离子交换；在利用该电化学模型进行仿真后，得到的仿真结果更加符合锂离子电池本身的特性，仿真结果更加准确可靠，从而可以为后续锂离子电池的分析和应用提供可靠的参考。
[0033]可选地，在本专利技术实施例中，在构建电化学模型时，可以根据划分出的各区域、第一扩散过程、第二扩散过程、电解液的电势分布、活性材料的电势分布、以及反应过程，按照菲克定律进行构建。
[0034]可选地，在本专利技术实施例中，第一扩散过程包括：锂离子沿x方向和y方向在电解液中扩散；
[0035]第二扩散过程包括：锂离子沿x方向和y方向，从活性材料的内部向表面及从活性材料的表面向内部扩散；
[0036]电解液的电势分布包括：电解液中沿x方向和y方向的电势分布；
[0037]活性材料的电势分布包括：活性材料中沿x方向和y方向的电势分布；
[0038]其中，x方向和y方向构成了二维空间。
[0039]也就是说，在本专利技术实施例中，不管是锂离子的扩散过程，还是电势分布，针对的均是x方向和y方向两个方向上的，而并不是一个方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池的电化学模型的构建方法，其特征在于，所述锂离子电池包括：正极、负极和电解液；其中，所述正极和所述负极均包括：极片、以及位于所述极片表面的活性材料；该构建方法包括：根据所述活性材料在二维空间的分布状态，对所述锂离子电池进行区域划分；根据所述活性材料在二维空间的分布状态，分别确定所述锂离子在所述电解液中的第一扩散过程，所述锂离子从所述活性材料的内部向表面及从所述活性材料的表面向内部的第二扩散过程，所述电解液的电势分布，所述活性材料的电势分布，以及所述锂离子从所述活性材料的表面嵌入和脱出的反应过程；根据划分出的各区域、所述第一扩散过程、所述第二扩散过程、所述电解液的电势分布、所述活性材料的电势分布、以及所述反应过程，构建所述锂离子电池的电化学模型。2.如权利要求1所述的构建方法，其特征在于，所述第一扩散过程包括：所述锂离子沿x方向和y方向在所述电解液中扩散；所述第二扩散过程包括：所述锂离子沿所述x方向和所述y方向，从所述活性材料的内部向表面及从所述活性材料的表面向内部扩散；所述电解液的电势分布包括：所述电解液中沿所述x方向和所述y方向的电势分布；所述活性材料的电势分布包括：所述活性材料中沿所述x方向和所述y方向的电势分布；其中，所述x方向和所述y方向构成了所述二维空间。3.如权利要求1或2所述的构建方法，其特征在于，划分出的区域包括：两个电极区域、以及非电极区域；所述正极位于其中一个所述电极区域，所述负极位于另一个所述电极区域；所述电极区域包括：极片区域和活性区域；所述极片位于所述极片区域；所述活性材料包括：正极活性颗粒、负极活性颗粒、导电胶和粘结剂；所述活性区域包括：所述正极活性颗粒或所述负极活性颗粒所在的颗粒区域、所述导电胶和所述粘结剂所在的粘结区域、以及间隔区域。4.如权利要求3所述的构建方法，其特征在于，在所述电化学模型包括：液相锂离子扩散模型、固相锂离子扩散模型、液相电势模型、固相电势模型、以及BV方程时，根据划分出的各区域、所述第一扩散过程、所述第二扩散过程、所述电解液的电势分布、所述活性材料的电势分布、以及所述反应过程，构建所述锂离子电池的电化学模型，具体包括：根据划分出的各区域和所述第一扩散过程，构建所述液相锂离子扩散模型；根据划分出的各区域和所述第二扩散过程，构建所述固相锂离子扩散模型；根据划分出的各区域和所述电解液的电势分布，构建所述液相电势模型；根据划分出的各区域和所述活性材料的电势分布，构建所述固相电势模型；根据划分出的各区域和所述反应过程，构建所述BV方程。5.如权利要求4所述的构建方法，其特征在于，所述锂离子电池还包括：位于所述负极和所述正极之间的隔膜；根据划分出的各区域和所述第一扩散过程，构建所述液相锂离子扩散模型，具体包括：采用以下公式，确定所述负极中任一时刻任意位置的所述锂离子浓度：
采用以下公式，确定所述隔膜中任一时刻任意位置的所述锂离子浓度：采用以下公式，确定所述正极中任一时刻任意位置的所述锂离子浓度：采用以下公式，确定第一边界条件：采用以下公式，确定第一边界条件：采用以下公式，确定第一边界条件：采用以下公式，确定第一边界条件：采用以下公式，确定连续性条件：采用以下公式，确定连续性条件：其中，C
e,n
表示所述电解液中靠近所述负极的区域的锂离子浓度，D
e
表示液相扩散系数，ε
s
表示所述隔膜的孔隙率，D
e,seff
表示所述隔膜处的液相有效扩散系数，C
e,p
表示所述电解液中靠近所述正极的区域的锂离子浓度，C
e,s
表示所述电解液中靠近所述隔膜的区域的锂离子浓度，j
n
表示所述负极的离子通量，j
p
表示所述正极的离子通量，t表示任意时刻，n表示所述负极，p表示所述正极，c表示所述锂离子浓度，D表示扩散系数，eff表示有效扩散系数，s表示所述隔膜，e表示所述电解液，x和y表示构成所述二维空间的两个方向，Ω3表示所述负极对应的所述间隔区域，Ω5表示所述非电极区域，Ω6表示所述正极对应的所述间隔区域，Г9表示所述正极对应的所述间隔区域与所述正极对应的极片区域的边界，Г4表示所述负极对应的所述间隔区域与所述负极对应的极片区域的边界，Г5表示所述负极活性颗粒对应的所述颗粒区域与所述负极对应的所述间隔区域的边界，Г8表示所述正极活性颗粒对应的所述颗粒区域与所述正极对应的所述间隔区域的边界，Г6表示所述负极对应的所述间隔区域与所述非电极区域的边界，Г7表示所述正极对应的所述间隔区域与所述非电极区域的边界。6.如权利要求4所述的构建方法，其特征在于，根据划分出的各区域和所述第二扩散过程，构建所述固相锂离子扩散模型，具体包括：采用以下公式，确定所述负极中任一时刻任意位置的所述锂离子浓度：采用以下公式，确定所述正极中任一时刻任意位置的所述锂离子浓度：
采用以下公式，确定第二边界条件：采用以下公式，确定第二边界条件：其中，C
so,n
表示所述负极中的锂离子浓度，D
so,n
表示所述负极中固相扩散系数，C
so,p
表示所述正极中的锂离子浓度，D
so,p
表示所述正极中固相扩散系数，j
n
表示所述负极的离子通量，j
p
表示所述正极的离子通量，so表示固相，t表示任意时刻，n表示所述负极，p表示所述正极，c表示所述锂离子浓度，D表示扩散系数，x和y表示构成所述二维空间的两个方向，Ω4表示所述负极活性颗粒对应的所述颗粒区域，Ω7表示所述正极活性颗粒对应的所述颗粒区域，Г5表...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱靖宇，黄瑛璇，苗雅文，
申请(专利权)人：凯博能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：