本发明专利技术公开了一种锂离子电池的电极结构优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1、构建材料数据库，所述材料数据库包括电池材料参数、模型大小参数和变量参数；步骤S2、构建二维异质电极模型，所述二维异质电极模型中的不易获得参数基于步骤S1构建的材料数据库获得；步骤S3、以步骤S2获得的二维异质电极模型进行电极结构的优化。与现有技术相比，本发明专利技术具有模型精度高、模型复杂度低、泛化能力强等优点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及锂离子电池结构优化领域，尤其是涉及一种锂离子电池的电极结构优化方法。
技术介绍
1、随着新技术的快速发展，能源需求呈现增长趋势，研究人员正在积极探索储能技术，以满足不断增长的能源需求。电池是一种能将化学能转化为电能的装置，其广泛应用于各个领域，包括便携式电子设备、交通工具和储能系统等。在这些电池中，锂离子电池由于其高比能量和功率密度、低自放电率和无记忆效应等特点而一直是研究的焦点。电极结构优化作为锂离子电池研究和开发中的重要方向，可以综合提高锂离子电池的能量密度、功率密度、循环寿命和安全性，为各种应用领域提供更可靠和高性能的电池解决方案。在p2d模型(伪二维电化学模型)进行电极结构优化模拟时，由于模型中电极是通过体积平均法构建的均质模型，无法满足需要考虑电极细节的电极结构优化研究。因此，有必要寻找一种非体积平均法构建电极的模型，以提高电极结构细节优化的精确性和实用性。
技术实现思路
1、本专利技术的目的就是为了克服上述现有模型的缺陷而提供一种精度高、复杂度低、泛化能力强的基于二维异质模型的锂离子电池电极结构优化方法。
2、本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
3、一种锂离子电池的电极结构优化方法，包括以下步骤：
4、步骤s1、构建材料数据库，所述材料数据库包括电池材料参数、模型大小参数和变量参数；
5、步骤s2、构建二维异质电极模型，所述二维异质电极模型中的不易获得参数基于步骤s1构建的材料数据库获得；
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p>6、步骤s3、以步骤s2获得的二维异质电极模型进行电极结构的优化。7、进一步地，所述电池材料参数包括正负极材料的电导率、正负极材料的扩散系数、正负极材料的平衡电位、正负极材料的参考浓度、电解质材料的电导率、电解质材料的扩散系数、电解质材料的传递数、电解质材料的活性相关性以及导电粘结剂材料的电导率；
8、所述模型大小参数包括正负极的厚度、正负极的宽度、正负极的活性颗粒半径、导电剂宽度、隔膜的厚度和隔膜的宽度；
9、所述变量参数包括初始电池电压、初始电解质电位、电池放电电压、电池放电电流、正负极初始锂离子浓度和正负极参考交换电流密度。
10、进一步的，所述二维异质电极模型基于该模型各域的控制方程实现，表达式为：
11、孔隙：
12、
13、
14、导电粘结剂：
15、
16、
17、
18、
19、正极中的颗粒：
20、
21、
22、负极中的颗粒：
23、
24、
25、式中：r为颗粒半径，il、il,b和il,agg分别为孔隙、导电粘结剂和团聚颗粒中电解质的离子电流，is、is,b和is,agg分别为固相、导电粘结剂和团聚颗粒中的电子电流，εl,b和εl,agg分别为导电粘结剂和团聚颗粒中电解质的孔隙率，εs,b和εs,agg分别为导电粘结剂和团聚颗粒中固相的孔隙率，cl、dl、φl和σl分别为电解质中锂离子的浓度、扩散系数、电势和电导率，cs、ds、φs和σs分别为固相中锂离子的浓度、扩散系数、电势和电导率，f为法拉第常数，f为活度系数，r为气体常数，t+为迁移数，t为温度，j为颗粒表面锂离子嵌入反应电流密度，αa和αc分别为正负极传递系数，j0和η分别为交换电流密度和过电势，具体地，
26、
27、η＝φs-φl-ueq
28、式中，cl,ref和cs,max分别为电解质中的参考锂离子浓度和颗粒中的最大锂离子浓度，ueq为电极平衡电位，ka和kc分别为正负极反应速率常数。
29、进一步的，所述二维异质电极模型构建步骤，具体包括：
30、s21、打开商用软件comsol multiphysics进行初始设置：选择二维窗口，在物理场中设置“锂离子电池”接口和“稀物质传递”接口，浓度设为“cs”，“锂离子电池”接口设为“带初始化的瞬态”；
31、s22、根据材料数据库获得的模型大小参数，建立异质电极模型的二维几何图形，包括正极、隔膜和负极；其中，隔膜为充满电解液的多孔膜，正极和负极由活性颗粒和导电粘结剂组成的多孔结构构成；活性颗粒视为球形颗粒，均匀分布在电极内部；导电剂作为连接活性颗粒的桥梁，并为多孔介质；
32、s23、将材料数据库获得的变量参数，设置在“组件1”的“定义”中，电池材料参数设置在二维几何模型指定的位置上；
33、s24、在“锂离子电池”接口节点下进行设置：
34、(241)在“电解质”的设置窗口中，选择电解质材料；
35、(242)在“初始值”的设置窗口中，分为“负极和电解质”和“正极”两个部分，在“电解质电位”文本框中均选择变量参数“初始电解质电位”，在“电势”文本框中，“正极”部分选择变量参数“初始电池电压”；
36、(243)在“电极”的设置窗口中，对正负极的球形颗粒分别进行“域选择”；
37、(244)在“内部电极表面”的设置窗口中，对正负极的球形颗粒边界分别进行“边界选择”；
38、(245)在“内部电极表面”窗口下创建的“电极反应”窗口中，从“浓度”列表中选择“浓度(tds)”，从“动力学表达式类型”列表中选择“锂离子插入”，在“材料”列表中，正负极分别选择对应的材料，从“参考交换电流密度”文本框中正负极分别选择“正负极参考交换电流密度”；
39、(246)在“正负极导电剂”的设置窗口中，“电解质材料”列表中选择电解质材料，“电极材料”列表中选择导电剂材料，“粒子属性”栏中选择“非插层颗粒”；
40、(247)在“电极电流”的设置窗口中，“边界选择”列表中选择正极集流体处的导电剂边界，“向内电极电流”文本框中选择变量参数“电池放电电流”，“边界电位初始值”文本框中选择变量参数“初始电池电压”；
41、(248)在“电接地”的设置窗口中，“边界选择”列表中选择负极集流体处的导电剂边界；
42、s25、在“稀物质传递”的接口节点下进行设置：
43、(251)“稀物质传递”的设置窗口中，“域选择”列表中选择正负极的球形颗粒，“传递机理”栏中清除“对流”复选框，“离散化”栏中的“浓度”列表中选择“二次”；
44、(252)在正负极的“传递属性”的设置窗口中，分别在两个窗口中的“域选择”列表中选择正负极的球形颗粒，“扩散”栏中的“材料”列表中分别选择正负极材料，“扩散系数”列表中均选择“basic(def)”；
45、(253)在正负极的“初始值”的设置窗口中，“浓度”文本框中分别选择变量参数“正负极初始锂离子浓度”；
46、(254)在“电极表面耦合”的设置窗口中，对正负极的球形颗粒边界分别进行“边界选择”；
47、(255)在“电极表本文档来自技高网
...
【技术保护点】
1.一种锂离子电池的电极结构优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的锂离子电池的电极结构优化方法，其特征在于，所述电池材料参数包括正负极材料的电导率、正负极材料的扩散系数、正负极材料的平衡电位、正负极材料的参考浓度、电解质材料的电导率、电解质材料的扩散系数、电解质材料的传递数、电解质材料的活性相关性以及导电粘结剂材料的电导率；
3.根据权利要求2所述的锂离子电池的电极结构优化方法，其特征在于，所述二维异质电极模型基于该模型各域的控制方程实现，表达式为：
4.根据权利要求3所述的锂离子电池的电极结构优化方法，其特征在于，所述二维异质电极模型构建步骤，具体包括：
5.根据权利要求4所述的锂离子电池的电极结构优化方法，其特征在于，所述不易获得参数的获取过程具体为：
6.根据权利要求5所述的锂离子电池的电极结构优化方法，其特征在于，选取优化的模型大小参数具体为：
7.根据权利要求4所述的锂离子电池的电极结构优化方法，其特征在于，步骤S26中所述特定的对象包括活性颗粒和导电粘结剂。
【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池的电极结构优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的锂离子电池的电极结构优化方法，其特征在于，所述电池材料参数包括正负极材料的电导率、正负极材料的扩散系数、正负极材料的平衡电位、正负极材料的参考浓度、电解质材料的电导率、电解质材料的扩散系数、电解质材料的传递数、电解质材料的活性相关性以及导电粘结剂材料的电导率；
3.根据权利要求2所述的锂离子电池的电极结构优化方法，其特征在于，所述二维异质电极模型基于该模型各域的控制方程实现...
【专利技术属性】
技术研发人员：练成，夏光宇，杜江龙，刘洪来，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：发明
国别省市：
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