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BMW公司:模型化设计工具提升锂离子电池设计效

文章来源:admin 更新时间:2018-12-22

  车的核心系统作为电动汽,电动汽车具有举足轻重的影响锂离子电池技术的发展对于,着更长的续航里程更高的比能量意味,味着更短的充电时间更大的充电电流意,者往往无法兼得但是实际上两。见的方法就是提升涂布量对于提升能量密度最常,+在电极内部的扩散受到影响但是过高的涂布量会导致Li,化增加导致极,致负极的电势低于0V严重的情况下甚至会导,锂现象的发生引起负极析。度究竟能承受多大的电流那么对于一个特定的厚,少呢?针对这些问题我们大多还需要凭借着经验进行分析或者对于一个特定的电流最大电极厚度或者涂布量是多,要大量的试验进行验证经验得到的结果往往需,量的资源浪费这又造成了大,了设计效率同时也降低。

  日近,离子电池在不同的电极参数下的最大充临界充电电流进行仿真的工具德国宝马公司(BMW)与美国阿贡国家实验室共同开发了一种对锂,不同的涂布厚度和压实密度下最大充电电流通过该款工具能够非常方便的确定电极在,导锂离子电池的设计从而能够高效的指,源的浪费减少资。

  电路模型、半经验模型和电化学模型锂离子电池模型一般可以分为等效,型是最复杂的其中电化学模,部复杂的多孔电极和多界面结构它不仅仅要考虑锂离子电池内,内部复杂的电化学反应还需要考虑锂离子电池,极和活性物质内部的扩散例如Li+在电解液、电,和电解液的分解SEI膜的生长,Li的析出等甚至是金属,化学模型也是最为准确的一种模型但是也正是因此锂离子电池的电。

  电池能量密度最为常用的一种方法提升电极的涂布厚度是提升锂离子,M622材料为例我们以常见的NC,的孔隙率下在正极不同,电池的体积能量密度(如下图所示)通过提升涂布量都能够有效的提升,导致多种问题的产生但是提升涂布量会,极面电流密度的升高其中最直接的就是电,电极的欧姆和电化学极化增加电流密度的升高一方面会导致,电解液中的浓度梯度增加另一方面会导致Li+在,浓差极化增加导致电极的,导致负极的电势下降到0V一下特别是在充电电流过大的极化会,Li的析出导致金属。

  学模型需要多方面的知识要建立锂离子电池的电化,就是扩散模型其中最重要的,极均是多孔结构锂离子电池正负,子电池在电极内部的扩散过程(如下式所示)因此通常我们采用多孔电极扩散模型模拟锂离。仅仅包含Li+扩撒模型当然锂离子电池模型不会,散、固相导电和电极电势模型中还需要包含固相扩,副反应等模型还有电池中的,详细说明了这里就不。

  和C/3倍率放电下涂布厚度与单位面积的容量之间的关系下图为采用上述模型分析的NCA/石墨锂离子电池在1C,的时候随着涂布厚度的增加从图中能够注意到在开始,呈现直线上升的趋势电解的容量面密度,密度与电极厚度不再呈现线C较大倍率下但是当达到一定的厚度后电极的容量面,薄的情况下在电极较,涂布量不成线性关系了电极的容量面密度就与。i+无法及时的扩散到NCA电极的底层这主要是因为电极厚度较大的情况下L,极化较大同时由于,质的容量无法充分发挥因此导致电极的活性物。

  这一问题为了说明,/石墨电池在不同放电时间作者利用模型分析了NCA,间的浓度分布(如下图所示)电池内部Li+在正负极之,厚度较大(245um)从图中能够看到由于正极,电时间的增加因此随着放,+浓度快速下降正极内部的Li,料周围的Li+浓度已经下降到了0到放电的后期处于底层位置正极材,活性物质无法参与反应因此也就导致了这部分,料的容量发挥影响了正极材。

  厚度的NCA正极下图展示了不同,的单位面积的容量在不同电流密度下,有的电池都能够发挥所有的容量从图中能够在电流密度较小时所,流密度的增加但是随着电,积的容量首先出现了下降厚度较大的电极的单位面,度的继续升高随着电流密,位面积容量下降的现象较薄的电极也出现了单,电极都存在一个临界点这表明对于不同厚度的,这个点超过,正极材料的容量就不能充分发挥,源的浪费造成了资,需要寻找的那个临界点这就是我们在设计中。

  在这样的临界点对于正负极存,在同样的临界点对于全电池也存,量低于C/10容量的80%时通常我们认为当电池的放电容,是电池的临界点这个电流密度就,开始存在Li+扩散限制此时锂离子电池内部就。能够注意到从下图中,布厚度越大当电极的涂,流也就越低则临界电,子电池倍率性能的重要影响因素之一这表明Li+的扩散过程成为了锂离。

  同也会对锂离子电池的循环性能产生影响不同厚度电极的电池的临界电流密度的不,环性能曲线放电倍率下循环到548次下面是采用不同电极厚度的电池的循,C/3放电的倍率继续循环然后在以1.5C充电/。结果来看从测试,的容量保持率都达到96%以上在前285次循环中所有电池。电倍率提高到1C随着将电池的充,.5和6.6mAh/cm2)衰降速度明显加快我们发现电极厚度较大的几种电池(4.4、5,h/cm2)电极衰降速度则没有出现明显的加快而涂布量较低的两种电极(2.2和3.3mA。2的电池中有两只发生了明显的衰降但是作者发现3.3mAh/cm,明显的衰降两只则没有,3mAh/cm2电极的临界电流密度这表明1C的充电电流已经达到3.,提高到1.5C倍率当继续把充电电流,的电极也发生了明显的衰降则3.3mAh/cm2,2的电池仅仅是发生了轻微的衰降现象而涂布量最低的2.2mAh/cm。电流超过了临界电流后作者认为这主要是充电,负极析锂引发了,逆容量的严重衰降从而引起了电池可。

  剖结果也支持了上面的推测对循环寿命末期的电池解,量的金属锂的析出现象负极表面观察到了大,m2的负极只有少量的锂析出性能较好的2.2mAh/c,负极表面则析出了大量的银白色的金属锂而涂布量较大的4.4mAh/cm2的。

  锂离子电池充电电流与最大涂布量之间的关系根据模型仿真和试验测试结果绘制了下面的,曲线为保守值其中有两条,方时表明负极没有达到临界电流在当电极的涂布量在曲线的左下,生析锂不会发,则会导致负极析锂而在曲线的右上方,逆容量的快速衰降引起锂离子电池可。

  子电池模型能够用来预测不同厚度电极的临界电流BMW公司与美国阿贡国家实验室开发的这套锂离,过临界电流时当充电电流超,电池的可逆容量极速衰降就会因为负极析锂导致。够根据该模型设计合适的充电电流因此对于特定厚度的电极我们能,的充电电流对于特定,选择合适的电极厚度我们能够根据模型,电池的循环寿命从而保证锂离子。用该模型通过使,子电池设计师的工作能够大大简化锂离,计效率提高设,发成本降低研,池设计中具有广阔的应用前景模型化的设计工具在锂离子电。

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