在固态锂离子电池中建模电化学过程

传统的锂离子电池使用基于易燃液体溶剂的电解质，如果它们过热，可能会导致它们着火。近年来，已经研究了不可燃化的固体电解质，以改善电池设计和安全性。但是，针对工业应用优化这项技术需要更好地了解设备内部的电化学过程。模拟是为此目的的有价值的工具，有助于在不久的将来实现固态锂离子电池的使用。

固态锂离子电池：未来的功率

由于它们的轻巧设计和高能密度，锂离子电池已成为市场上可充电电池的主要电池。多年来，我们观看了这些电池的使用从便携式电子设备（如手机和笔记本电脑）演变为电动汽车和航空航天技术的更高功率应用。一路上，某些设计挑战已经出现。一个主要问题，我们在以前的博客文章，与这些设备的安全性有关，这些设备在某些情况下过热和着火。

锂离子电池的一个例子，引起了起火。图像在公共领域，通过Wikimedia Commons。

A2015年美国能源部的文章讨论一种打击这种危险效应的一种方法：用导致锂离子的固体电解质代替传统的含锂盐的液体电解质。进行此设计调整可去除通常在液体电解质中发现的易燃溶剂。而且，如果没有液体电解质，电池的设计就会有更大的自由度，这为推进现代电池技术以满足不断增长的需求打开了新的门。

随着持续的开发，固态锂离子电池可以用作便携式电子设备和电动汽车的电源。左：触摸屏笔记本电脑。图片由Intel Free Press。获得许可CC BY-SA 2.0， 通过Wikimedia Commons。右：电动汽车。Mariordo的图像。获得许可CC BY-SA 2.0， 通过Wikimedia Commons。

已经取得了进步，以优化用于工业应用的固态锂离子电池的设计。例如，已经进行了几项研究来分析固体电解质的材料特性。固体电解质的主要缺点是它的电导率大大低于液体电解质的电导率。已经证明，通过薄膜方法制造固态锂离子电池有助于解决此问题。另一个重要的步骤是更好地了解这些设备中发生的电化学过程。为了满足这种需求，Keisoku Engineering System Co.，Ltd的Lizhu Tong使用COMSOLMultiphysics®软件设计和分析了固态锂离子电池。

分析固态锂离子电池中的电化学过程

在他的模拟研究中，Tong创建了固态锂离子电池的2D模型。该模型具有负电极，该电极由金属锂（LI）和由锂 - 果实氧化物组成的正电极组成（licoo₂） 电影。对于电解质，固态 - 磷酸锂（Li₃po₄）使用胶片。模型的横截面示意图和描绘锂离子的图（li⁺）设备内的传输如下所示。

电池模型的横截面示意图（左）和LI的图⁺在固体电解质（右）中运输。Lizhu Tong的图像，从他的乐动滚球app下载Comsol会议2016波士顿纸。

请注意，在固态锂离子电池中，所有电化学反应都出现在固体电解质和固体电极之间的界面处。设计中没有包括液体或多孔电极。在充电过程中，氧化反应发生在正极的表面，产生的锂离子传播到负电极。在放电期间，还原反应发生在正极的表面，该反应消耗了在负电极处氧化获得的锂离子。

考虑到电池的锂物种质量传输是导致电池的整体电流 - 电压关系，计算了第三纪电流分布。在固体电解质中，用Nernst-Planck方程描述了离子的组合扩散和离子在电场中的迁移。在正电极中菲克定律被用来描述插入的锂原子的扩散。巴特勒 - 沃尔默动力学用于描述两个电极 - 电解质界面的电极反应。计算中未包括固体锂（负电极）结构域，因为与其他固态材料相比，金属锂具有高度导电性，并且锂金属内部没有化学物质传输。

电荷特性

让我们从电池模型的充电特性开始。在这里，我们可以在充电步骤结束时以1.2 c和3.2 C的末端看到电解质中的锂离子浓度。结果表明，对于较高的电荷速率，在整个固体电解质，较高的锂离子浓度梯度上建立了较高的梯度。因此，与初始均匀离子浓度相距更大的浓度偏差。

电解质的锂离子浓度在电荷结束时。该图分别表示1.2和3.2 C的电荷率。Lizhu Tong的图像，并从他的2016年波士顿论文的Comsol会议上拍摄乐动滚球app下载。

充电过程中的氧化反应会导致阳性电极材料中的锂浓度在其与固体电解质界面附近减小。

电荷结束时正电极中的锂浓度。Lizhu Tong的图像，并从他的2016年波士顿论文的Comsol会议上拍摄乐动滚球app下载。

下图比较了电荷曲线（换句话说，是电池电压与时间）的，用于一系列充电速率。结果表明，在充电开始后，电池电压最初会迅速增加，直到稳定在约3.9 V.此点之后，电压进一步增加按电荷的成比例发生，因此电池电压增加更快的充电率更快。可以将这些电荷曲线与实验数据进行比较，以验证模拟模型并进一步研究电池设计与其性能的关系。

比较各种充电率的电荷曲线的图。Lizhu Tong的图像，并从他的2016年波士顿纸上的Comsol会议上拍乐动滚球app下载摄。

放电特征

将齿轮转移到放电过程中，我们现在可以查看结果相同的相应放电速率的结果。在放电结束时，跨固体电解质的浓度曲线看起来与电荷结束时相似，但是由于锂离子在相反的方向上扩散，因此高浓度和低浓度的区域逆转。

放电结束时电解质中的锂离子浓度。该图分别表示1.2和3.2 C的电荷率。Lizhu Tong的图像，并从他的2016年波士顿论文的Comsol会议上拍摄乐动滚球app下载。

现在，锂离子从正电极表面的固体电解质减小，导致锂浓度升高，靠近阳性电极与固体电解质的界面，如下所示。

放电结束时正电极中的锂浓度。Lizhu Tong的图像，并从他的2016年波士顿论文的Comsol会议上拍摄乐动滚球app下载。

电池电压在放电期间从4 V下降到约3.8 V。一旦电池接近电荷较低，内部损失意味着将无法保持排放电流，并且电池电压迅速下降。当然，对于较高的排放率，这会更快地发生。

比较各种排放速率的放电曲线的图。Lizhu Tong的图像，并从他的2016年波士顿纸上的Comsol会议上拍乐动滚球app下载摄。

使用模拟建造更安全，更灵活的锂离子电池

固态锂离子电池有可能解决围绕传统锂离子电池设计的许多安全问题。但是，实现他们在工业规模的应用需要更深入地了解设备内发生的基本电化学过程。正如我们在这里展示的那样，Comsol Multiphysics为您提供了建模此类过程并提供有用的结果的功能和功能，从而可以进一步开发固态锂离子电池。

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