锂离子电池设计

通过仿真优化锂离子电池设计

2019年 4月 11日

快速充电和耐久性是充电电池的理想性能。然而,在充电或放电时,较高的充电速率常会导致活性电极材料中的电流分布不均匀(即电极利用率-容量吞吐不均匀),致使电池局部老化和寿命缩短。借助 COMSOL Multiphysics® 软件,设计人员可以预测不同充电速率下电池的电极利用率。

大型软包锂离子电池的优点

与其他可再充电电池相比,锂离子(Li-ion)电池具有许多优势。由于具有高能量密度,锂离子电池的充电间隔时间长;又因具有低自放电率,其储能时间比同类产品更长,并且不需要太多维护。因此,锂离子电池特别适合于需要大型电池的场景,包括:

  • 能量存储系统(例如,太阳能和电网电源)
  • 电动,混合动力和插电式汽车
  • 无人驾驶车
  • 轻轨列车

电动车的照片
大型锂离子电池通常用于电动汽车。图片由 Marco Verch 提供。通过 Flickr Creative CommonsCC BY 2.0下获得许可。

根据用途,可再充电锂离子电池可包装成圆柱形、方形和软包形。圆柱形电池是最常见的电池(比其他电池早开发近100年),而方形和软包形电池近年来越来越受欢迎。这主要是因为新技术降低了这些电池的制造成本和重量,以及它们比圆柱形电池具有更高容量的潜力。软包电池是最薄、最轻的一种可再充电电池,而且生产效率也最高。

大型锂离子电池组是将电池串联或并联连接在一起而形成的,被称为模组。类似的,将模组并联或串联可以构成完整的电池组。研究单个电化学电池并确保其具有统一的电极利用率,对于改进大型电池组非常重要,它可以帮助指导大型电池的设计和优化。

在设计大型软包锂离子电池时,电池的寿命和充电速率是两个重要但经常形成对比的考虑因素。快速的充电或放电速率会严重影响软包电池内部的局部反应速度,并使其损坏更快。大型软包电池的使用寿命也会受到电池几何形状、材料厚度和极耳位置等方面的严重影响。这些因素都会增加(或减少)电池的电流、温度和充电状态(SOC)的变化,从而使电极的利用率均匀性降低(或提高)。

为了优化大型软包电池设计,工程师可以使用 COMSOL Multiphysics和其附加的 电池与燃料电池模块分析大型锂离子软包电池。借助 COMSOL® 软件,我们可以研究不同设计和操作条件下的电极利用率,例如各种充电速率。下面举例来说明。

通过仿真分析电池电极利用率

大型软包锂离子电池的电极利用率 案例教程演示了使用 COMOSL 分析电池电极利用率的三维模拟过程。在该示例中,软包电池的充电状态为 20%~80%,锂离子从正极移动到负极。示例使用了一个箔-箔的电池单元,包括:

  • 负极金属集流体箔和极耳
  • 负极(接地)
  • 分隔膜
  • 正极
  • 正极金属集流体箔和极耳

锂离子电池袋式电池模型的几何形状。
软包锂离子电池的几何模型。在 z 轴方向上按 100 倍比例缩放(请参见网格)模型,可以清晰地看到电池各层。

电池和燃料电池模块中提供的材料库包含常用的电极和电解液材料,可以定义材料特性,从而简化了模型设置。在此模型中,正极和负极材料可分别选择锂锰氧化物和石墨,液体电解质材料选择六氟磷酸锂(LiPF6 中 EC:EMC 为 3:7),集流体材料选择铝和铜。

构建软包锂离子电池电极和电解液的材料列表
构建软包锂离子电池电极和电解液的材料列表。

使用锂离子电池接口定义模型,该接口可用于分析锂离子电池中的电流、充电状态和电势分布。借助 COMSOL Multiphysics,我们可以对各种几何形状进行建模,并研究集流体的位置和厚度、活性电极材料的厚度以及电极和分隔膜的孔隙率的影响。此外,还可以通过多孔电极 节点和粒子嵌入子节点增加额外的粒子维度,模拟电池内部的物理和化学过程(例如粒子嵌入和多孔电极中发生的反应)。这样一来,我们最多可以模拟“ 伪 4D”(xyzr),并考虑所有的长度比例。

定义模型后,我们可以使用与时间相关的研究节点分析不同充电速率如何影响电池的性能。本示例求解了两种不同的充电速率:

  • 1C(也称 1 小时充电)
  • 4C(也称 15 分钟充电)

如上所述,由于电池在 20%~ 80% 区间内充电,因此总时间略有缩短:1C 缩短至 42 分钟,4C 缩短至 10.5 分钟。

查看仿真结果

首先,我们可以在电池开始充电之前检查正极和负极的最大和最小初始电势。这样能够确定两个电极有多少变化,因为这会影响电极利用率均匀性。对于 1C 充电,电位变化很小:正极为 3 mV,负极为 1 mV,电极利用率相当均匀。对于 4C 充电,正极的电位为 10 mV,负极的电位为 6 mV,其电位变化是 1C 的两倍以上。

1C 充电过程,正极和负极中的电位分布。
1C 充电过程,正极和负极中的电位分布。

4C 充电过程,正极和负极中的电位分布
4C 充电过程,正极和负极中的电位分布。

在充电周期的开始和结束时,检查隔膜中的电流分布还可以观察电极的瞬时利用率。对于 4C 充电速率,充电开始时在极耳附近的相对电流密度较高;但充电结束后,中间部位的相对电流密度较高,相差约 6%。至于 1C 充电速率,其电位变化仍然较小(1%)。

在 4C 充电周期开始和结束时隔膜中的电流分布。
在 4C 充电周期开始(左)和结束(右)时隔膜中的电流分布。

最后,我们可以将整个充电期间的相对电极利用率结果可视化。如预期的那样,在较高电流条件下利用率主要位于极耳附近。在 4C 充电速率下,极耳附近活性物质的消耗速度要快于电池组件的中间部分。由于充电时间更快,4C 的电极利用率变化约 为2.5%,而对于具有较慢充电速率的 1C,其电极利用率仅变化了约 1%。

1C和 4C充电速率下的电极利用率
1C(左)和 4C(右)充电速率下的电极利用率。

通过仿真深入了解电池的电极利用率,工程师可以针对特定的操作更改设计。例如,可以通过将极耳放置在不同位置或通过调整电极和集流体的尺寸,确定它们如何影响较高充电速率下的电流分布,并进一步分析电极利用率。

动手尝试

单击下面的按钮,进入 COMSOL 案例下载页面,下载本案例模型教程文档,尝试自己对大型软包锂离子电池进行模拟。请注意:您需要拥有有效的软件许可证,才可以下载 MPH 文件。

了解更多有关建模锂离子电池的信息,请阅读以下博客文章:


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