锂离子电池数值模型研究

【摘要】： 锂离子电池的过充电、过放电和材料的粉化是电池容量衰减的主要原因之一。材料的粉化主要由颗粒表面的电流密度的大小决定;而材料的过充过放电,主要由材料的荷电状态(STATE OF CHARGE简称SOC)来决定。因此研究极片内电流密度的分布与SOC分布具有重要意义。本文以锂离子电池数值模型方法,系统的对LiCoO_2电池、LiMn_2O_4电池以及混合材料电池中电极的电流密度分布和SOC分布进行了研究。 首先建立了LiCoO_2/MCMB电池的数值模型,并通过比容量的变化和电压变化分别确定了模型中材料的扩散系数和反应常数。与试验结果比较表明,模型具有较高的可靠性。采用此数值模型,对LiCoO_2/MCMB电池中活性颗粒表面的电流密度和SOC状态进行了研究,结果表明:电流密度随电极位置的不同而不同,极片两侧电流密度变化较大,而极片中间位置电流密度变化较小,极片两侧的最大放电电流密度都出现在放电末期;SOC随电极位置的不同而不同,在放电过程中,极片外侧放电深度最大,而内侧放电深度较浅。 基于相同的方法,研究了LiMn_2O_4/MCMB电池中的电流密度分布与SOC状态。结果表明,电流密度随位置的不同而不同,极片两侧电流密度变化较大,极片中间电流密度变化较小,极片外侧的最大放电电流密度出现在放电初期,内侧的最大放电电电流密度出现在放电末期;SOC状态的变化与LiCoO_2/MCMB电池规律相同。论文通过多粒度简化模型,讨论了粒度的影响,结果发现:颗粒越小,电流密度越小,越容易出现过充过放的状态。 论文在锂离子电池数值通用模型的基础上,首次建立了混合电极数值模型。并基于此,系统研究了混合电池中电流密度分布与SOC分布。模拟结果显示,负极的电流密度分布以及溶液相浓度梯度的变化与单一材料电池模型相同,正极颗粒表面的电流密度以及SOC状态存在很大的差异;在放电的初期和末期,LiCoO_2的电流密度较大,而LiMn_2O_4的电流密度较小;在充电的初期和末期,则与之相反;极片中两种材料的SOC状态存在差异,其差异比不同位置处同一材料的SOC状态更明显。 通过简化模型的建立还考察了活性材料组分对电流密度以及SOC状态分布的影响。结果表明,材料的组分含量、粒度分布、放电倍率对电流密度影响较大,对SOC状态影响较小。