【技术实现步骤摘要】
本申请涉及数学模型和动态模拟的电极结构设计，特别是涉及一种基于元胞自动机模型的电极结构设计方法。
技术介绍
1、电池技术因其较高的能量转化效率以及较长的循环寿命，被广泛应用于各种便携式设备以及电动汽车中，同时电池的快速充电能力被认为是进一步提高产品性能的关键因素之一。快速充电过程中所施加的大电流往往会导致电压的迅速升高，从而在到达截止电压时仅充入较少的电量，即较低的充电效率。这种现象本质上是由电子移动与电极内部离子扩散的速度差异造成的，电子移动速度快，反应物扩散速度慢，电子的积累导致电势偏离平衡电位，形成较高的电势差，这种现象也被称作浓差极化。离子扩散的速度与电极颗粒的形貌相关性很强，因此通过改变电极形貌来优化离子扩散路径，缓解浓差极化，是提升电池充电效率的有效方法。传统研究中采用实验的方法构造具有不同形貌的电极，然后对电池的充放电性能进行测试，然而电极的制造过程涉及溶液调配、涂覆、烘干等多个步骤，在时间成本和价格成本上都较为昂贵，因此利用数学模型和数值模拟对电极结构进行设计和评估，进而指导实验的研究方向，是更加高效的研究模式。
2、电池模型的建立需要同时考虑计算效率与计算精度两个因素，根据模型的侧重点不同，其应用范围也不同。比如在soc预测方面广泛使用的等效电路模型，通过将电池内部复杂的实际构造简化为电路元件的组合，来实现模型的高效运行，从而解决操作条件优化、长周期寿命预测等问题，但等效电路模型不能考虑浓度在电极内部的时空分布，不能给出宏观变量模拟结果的微观过程解释，因此是不能用于电极形貌设计的。sp(single
3、综上所述，现有模型在考虑电极形貌对电池性能的影响时，均过于侧重于效率与精度其中的一方面，无法实现以较低的计算成本模拟充放电过程中离子浓度在不规则、不均匀电极颗粒中的时空演化过程。然而电极结构设计逐渐趋向于精细化、多样化，电极颗粒的非均匀排布在某些情况下体现出更好的性能，因此需要建立新的模型框架辅助新型电极结构的设计。
技术实现思路
1、本申请提供了一种基于元胞自动机模型的电极结构设计方法，通过将元胞自动机模型与有限差分方法结合，设定简单的局部交互规则，以较低的计算成本模拟充电过程中锂离子在电解液以及电极颗粒中的动态演化过程，具有直观的可视化效果，避免了复杂固液边界下的方程求解，能够有效提高模拟效率性，该模型能够考虑电极颗粒的非均匀分布与不规则形状，在电极结构设计方面具有更高的灵活性，在一定孔隙率范围内，分层结构相对于均匀结构能够有效缓解浓差极化、并通过该模型设计出能够提高电池充电效率的电极结构。
2、第一方面，本申请提供了一种基于元胞自动机模型的电极结构设计方法，该方法包括：基于元胞自动机建立电池充电过程锂离子反应扩散模型；基于有限差分方法得到所述模型的反应量空间分布；根据所述模型的交互规则将得到的所述反应量空间分布应用于所述模型中各个位置的锂离子浓度更新过程；基于p2d模型对所述模型进行验证，以确定所述模型的适用电流范围；基于所述模型对电池电极结构进行分层结构设计，并基于所述模型对电极结构进行模拟与评估。
3、可选的是，所述基于元胞自动机建立电池充电过程锂离子反应扩散模型，包括：将电池充电过程锂离子反应扩散分为锂离子在固相和液相中的扩散以及锂离子在固液边界上的反应两部分；
4、所述元胞自动机由网格，状态，邻居和规则组成，可以表示为mca1＝{g,n,s,r})；
5、其中，所述元胞自动机的网格可以表示为g＝{(i,j),i＝1,2,…,i,j＝1,2,…,j}，(i,j)表示元胞的坐标位置，i和j分别为网格的总行数和总列数；所述元胞自动机的邻居可以表示为n(i,j)＝{(i-1,j),(i,j-1),(i,j+1),(i+1,j)}，每个元胞的数值和状态只受到其上下左右四个邻居的影响；所述元胞自动机的状态可以表示为s＝{a,c}，矩阵a用来记录各元胞的相态，0表示电解液相，1表示非边界处的固相，2表示固相边界，矩阵c用来记录各元胞的离子浓度；所述元胞自动机之间的交互规则r包含两个扩散规则和两个反应规则，不同规则实施条件不同，通过公式(1)描述：
6、
7、式中，规则1为固相扩散规则，规则2为反应对固相边界元胞的影响规则，规则3为反应对液相元胞的影响规则，规则4为液相扩散规则，△ts表示固相扩散的时间步长，△te表示液相扩散的时间步长，△tr表示反应的时间步长，t表示时间，时间的更新步长为△t，且△t为其他三个时间步长的公因数。
8、可选的是，所述元胞之间的交互规则r包含两个扩散规则和两个反应规则，不同规则实施条件不同，包括：当t/△ts为整数时，执行规则1，规则1的具体形式通过公式(2)所示：
9、...
【技术保护点】
1.一种基于元胞自动机模型的电极结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于元胞自动机模型的电极结构设计方法，其特征在于，所述基于元胞自动机建立电池充电过程锂离子反应扩散模型，包括：
3.根据权利要求2所述的基于元胞自动机模型的电极结构设计方法，其特征在于，所述元胞自动机之间的交互规则R包含两个扩散规则和两个反应规则，不同规则实施条件不同，包括：
4.根据权利要求1所述的基于元胞自动机模型的电极结构设计方法，其特征在于，所述基于有限差分方法得到所述模型的反应量空间分布，包括：
5.根据权利要求4所述的基于元胞自动机模型的电极结构设计方法，其特征在于，所述根据设置的初始反应量、固相参考电势初始值以及液相参考电势初始值基于有限差分法，得到各个位置的固相电势、液相电势，包括：
6.根据权利要求5所述的基于元胞自动机模型的电极结构设计方法，其特征在于，所述根据得到的各个位置所述固相电势、所述液相电势，基于BV方程描述反应量分布，得到新计算的反应量数值、固相参考电势数值以及液相参考电势数值，记为数据值，具
7.根据权利要求4所述的基于元胞自动机模型的电极结构设计方法，其特征在于，所述根据所述模型的交互规则将得到的所述反应量空间分布应用于所述模型中各个位置的锂离子浓度更新过程，包括：
8.根据权利要求1所述的基于元胞自动机模型的电极结构设计方法，其特征在于，所述基于P2D模型对所述模型进行验证，以确定所述模型的适用电流范围，包括：
9.根据权利要求1所述的基于元胞自动机模型的电极结构设计方法，其特征在于，所述基于所述模型对电池电极结构进行分层结构设计，并基于所述模型对电极结构进行模拟与评估，包括：
10.根据权利要求9所述的基于元胞自动机模型的电极结构设计方法，其特征在于，所述根据累计反应量、充电效率η、电极的锂离子存储能力Q评估指标对所述三种分层电极结构的不同形貌电极的充电性能进行评估，包括：
...【技术特征摘要】
1.一种基于元胞自动机模型的电极结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于元胞自动机模型的电极结构设计方法，其特征在于，所述基于元胞自动机建立电池充电过程锂离子反应扩散模型，包括：
3.根据权利要求2所述的基于元胞自动机模型的电极结构设计方法，其特征在于，所述元胞自动机之间的交互规则r包含两个扩散规则和两个反应规则，不同规则实施条件不同，包括：
4.根据权利要求1所述的基于元胞自动机模型的电极结构设计方法，其特征在于，所述基于有限差分方法得到所述模型的反应量空间分布，包括：
5.根据权利要求4所述的基于元胞自动机模型的电极结构设计方法，其特征在于，所述根据设置的初始反应量、固相参考电势初始值以及液相参考电势初始值基于有限差分法，得到各个位置的固相电势、液相电势，包括：
6.根据权利要求5所述的基于元胞自动机模型的电极结构设计方法，其特征在于，所述根据得到的各个位置所述固相电势、...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙巍，戴金东，翟持，刘永忠，吕海潮，党毅，王璟德，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：
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