评估锂离子电池袋电池的电极利用

2019年4月11日

快速充电时间和长寿是可充电电池的理想特质。但是,较高的电荷速率通常会导致电池中的活性电极材料在充电或放电时(即非均匀的电极利用率)在活性电极材料中的不均匀电流分布。这导致局部老化和电池寿命较短。设计人员可以使用ComsolMultiphysics®软件来预测电池中各种充电率的电极利用率。

大幅面锂离子袋单元的好处

与其他可充电电池相比,锂离子(锂离子)电池有很多好处。由于其高能量密度,由于其自​​我放电率低,他们可以在两次电荷之间进行更长的时间,并使充电时间更长,并且不需要太多的维护。由于具有这些品质,它们特别适合需要大型电池的场景,包括:

  • 储能系统(例如,用于太阳能和电网功率)
  • 电动,混合动力和插入式汽车
  • 无人车
  • 轻轨火车

电动汽车的照片。
大格式锂离子电池通常用于电动汽车中。Marco Verch的图像。获得许可CC由2.0, 通过Flickr Creative Commons

根据使用情况,可充电锂离子电池可以包装成圆柱,棱镜和小袋细胞。虽然圆柱形细胞是最常见的(比其他细胞开发了近100年),但Prismatic和Pouch细胞越来越受欢迎。这主要是由于新技术降低了这些细胞的制造成本和重量,以及它们具有比圆柱形细胞更高容量的潜力。至于小袋,它们是这些可充电细胞类型中最薄,最轻的,也是包装效率上最好的。

对于大型锂离子电池组,细胞串联或并联连接在一起,称为模块。模块可以类似地连接以形成完整的电池组。为了改善大型电池组,研究单个电化学电池并确保其具有均匀的电极利用率很有用,因为这种类型的分析可以帮助指导大型细胞的设计和优化。

在设计大型锂离子电池的小袋单元时,两个重要但通常对比的考虑因素是电池的寿命和充电率。快速充电或放电率可能会显着影响小袋电池内部的局部反应速率,并使其更快地磨损。大型小袋细胞的寿命也受到细胞几何形状,材料厚度和当前收集器选项卡的位置等方面的影响。这些因素都可以在电池的电流,温度和充电状态(SOC)中增加(或减少)变化,从而使电极利用率降低(或更多)均匀。

为了分析大型锂离子袋牢房的设计,工程师可以使用comsol多物理学和附加组件电池设计模块。借助Comsol®软件,他们可以研究用于不同设计和操作参数的电极利用率;例如,各种充电率。让我们来看看一个例子…

分析电池设计中的电极利用率

此示例演示建模大型锂离​​子电池袋牢房在3D中。在这里,小袋电池从20%到80%的SOC充电,锂离子从正极转移到负电极。该示例由一个由箔到装饰的单元组成,包括:

  • 负金属电流收集器箔和选项卡(在其中施加充电电流)
  • 负电极(接地)
  • 分隔器
  • 正极
  • 正金属电流收集器箔和标签

锂离子电池袋电池模型的几何形状。
锂离子袋电池电池的模型几何形状,在z方向上按100倍缩放(请参阅网格),以清楚地看到图层。

至于定义材料特性,电池和燃料电池模块中可用的材料库包含常见的电极和电解质材料,从而简化了模型设置。在这里,您可以将氧化锂和石墨分别用于正极和负电极。然后,六氟磷酸锂(LIPF6在3:7中,EC:EMC)用于液体电解质,而铝和铜是当前收集器的材料。

带有材料清单的ComsolMultiphysics®模型构建器的屏幕截图。
屏幕截图显示了锂离子袋电池中电极和电解质的材料。

要定义问题,您可以利用锂离子电池界面可用于分析锂离子电池中的电流,SOC和潜在分布。使用Comsol多物理学,您可以对各种细胞几何形状进行建模,并研究当前收集器选项卡的位置和厚度的影响,活动电极材料的厚度以及电极和分离器的孔隙率。此外,您可以通过在电池内的物理和化学过程(例如,在多孔电极中发生的粒子插入和反应)建模。多孔电极节点和粒子插入子节点。这使您能够建模到“ pseudo-4d”(X,,,,y,,,,z, 和r),考虑所有长度尺度。

定义模型后,您可以通过时间依赖的研究节点分析不同的电荷率如何影响电池的性能。在此示例中,解决了两个不同的充电率:

  • 1C(也称为1小时费用)
  • 4C(收费15分钟)

如上所述,电池仅在20%到80%之间充电,因此总时间稍短:42分钟1C,4C 10.5分钟。

检查大型锂离子电池的仿真结果

首先,结果首先,您可以在电池开始充电之前检查正电极和负电极的最大和最小初始电位。这使您能够确定两个选项卡之间有多少变化,因为这会影响电极利用率的均匀性。对于1C电荷,正变化很小:正电极的3 mV,负电极的1 mV。因此,电极利用率应相当均匀。但是,对于4C电荷速率而言,这种变化是两倍以上,其电势为10 mV,在正电极中为6 mV。

电极中电势分布的图,以1C电荷。
1C电荷的正极和负电极中的电势分布。

电极中电势分布的图,以4C电荷。
4C电荷的正极和负电极中的电势分布。

在充电期开始和结束时检查分离器中的当前分布也可以提供对瞬时电极利用率的见解。对于4C电荷速率,一开始的两个选项卡附近的相对电流密度较高,但是到最后,中间的密度较高,变化约为6%。至于1C充电率,变化再次较小(1%)。

4C电荷之前和之后分离器中电流分布的图。
在4C充电期的开始(左)和结束(左)和末端(右)中的分离器中的当前分布。

最后,您可以在整个充电周期内可视化相对电极利用率。不出所料,利用率位于较高电流的选项卡上。当前收集器选项卡附近的4C充电速率以比电池组件的中间部分消耗的4C充电率更快。对于更快的充电时间,利用率差约2.5%,而较慢的1C电荷率仅为约1%。

比较1C和4C电荷率的电极利用率的图。
1C(左)和4C(右)充电率的电极利用率。

通过使用模拟来洞悉电池的电极利用,工程师可以改变设计以进行一定操作。例如,可以通过将选项卡定位在不同位置或调整电极和电流收集器的尺寸以确定它们如何以较高的C速率影响电流分布来进一步分析利用。

下一步

尝试通过单击下面的按钮来建模大型锂离​​子袋单元。进入应用程序库后,您可以下载教程文档和MPH文件。

要了解有关建模锂离子电池的更多信息,请查看以下博客文章:


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Shahriar Mostufa
Shahriar Mostufa
2020年5月12日

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