隨著各國(guó)燃油車禁售時(shí)間表的推出，新能源汽車的地位愈發(fā)穩(wěn)固。而鋰離子電池作為電動(dòng)車的核心動(dòng)力源，也越來(lái)越受到市場(chǎng)的追捧。鋰離子電池在制作過(guò)程中涉及正極、電解液、負(fù)極、隔膜等材料的選取與匹配，極片設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇等問題；電池工作過(guò)程中涉及化學(xué)反應(yīng)、傳質(zhì)、導(dǎo)電、產(chǎn)熱等過(guò)程。由此可見，鋰離子電池是一個(gè)非常復(fù)雜的體系。

助實(shí)驗(yàn)手段來(lái)探索鋰離子電池是一種行之有效的手段，尤其隨著表征手段的不斷進(jìn)步，我們能得到越來(lái)越多關(guān)于設(shè)計(jì)參數(shù)、工作狀況等對(duì)電池性能影響的信息。不可否認(rèn)的是，在鋰離子電池開發(fā)過(guò)程中，設(shè)計(jì)參數(shù)太多，實(shí)驗(yàn)任務(wù)繁重；各參數(shù)對(duì)電池性能的影響不明確，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)帶有一定的盲目性，有時(shí)候甚至?xí)霈F(xiàn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力費(fèi)資金卻吃力不討好的現(xiàn)象。改善這一狀況的契機(jī)是將電池仿真技術(shù)應(yīng)用到電池中來(lái)。

鋰離子電池仿真技術(shù)可以采用等效電路模型、半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、電化學(xué)模型等?；陔娀瘜W(xué)模型的仿真技術(shù)能夠很好的解決上文提到的問題。作為實(shí)驗(yàn)的一種補(bǔ)充，電化學(xué)仿真能夠在實(shí)驗(yàn)之前對(duì)各種方案進(jìn)行模擬，去蕪存菁；也能模擬電池在不同工況下的充放電過(guò)程，有助于研究者弄清電池內(nèi)部過(guò)程；同時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也能夠指出仿真的不足，推動(dòng)仿真模型的不斷發(fā)展?？梢哉f(shuō)，仿真讓實(shí)驗(yàn)如虎添翼，實(shí)驗(yàn)讓仿真錦上添花。

簡(jiǎn)單說(shuō)一下電化學(xué)模型。電化學(xué)模型主要是由傳質(zhì)、導(dǎo)電和電化學(xué)反應(yīng)三個(gè)過(guò)程構(gòu)成，其控制方程如下表所示。從復(fù)雜程度上來(lái)分，電化學(xué)模型有單粒子模型、準(zhǔn)二維模型、二維模型、三維模型。常用的是準(zhǔn)二維模型，以此模型為基礎(chǔ)，能夠?qū)崿F(xiàn)包括電池設(shè)計(jì)、充放電性能、電池內(nèi)阻（極化）分析等多種目的。在預(yù)測(cè)電池壽命時(shí)，為了減小計(jì)算量，常常使用單粒子模型。

電池設(shè)計(jì)過(guò)程中，除了正負(fù)極材料、電解液和隔膜固有的性質(zhì)參數(shù)外，還需要考慮諸多設(shè)計(jì)參數(shù)，如正負(fù)極顆粒粒徑（r）、極片厚度（L）、極片孔隙率（ε）等。Marc Doyle等使用仿真技術(shù)對(duì)Sony的LiCoO2／EC、PC、LiPF6／石墨電池進(jìn)行倍率模擬，得到的電池倍率性能與測(cè)試結(jié)果十分相近。下圖是不同倍率下的充、放電曲線測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果的比較。

Venkat Srinivasan等使用仿真技術(shù)研究顆粒尺寸對(duì)LiFePO4半電池功率密度的影響，發(fā)現(xiàn)使用小粒徑的正極材料有利于提高電池的功率密度，為開發(fā)高功率電池提供了一個(gè)方向。作者還借助LiFePO4的放電平臺(tái)標(biāo)注了電池在恒流放電過(guò)程中的歐姆過(guò)電勢(shì)、反應(yīng)過(guò)電勢(shì)和擴(kuò)散過(guò)電勢(shì)，找到了大倍率放電時(shí)平臺(tái)變成斜坡的原因，同時(shí)為電池降內(nèi)阻提供了思路。

在電池開發(fā)過(guò)程中，可以先使用模型對(duì)各設(shè)計(jì)參數(shù)與電池性能之間的關(guān)系進(jìn)行摸底，確定主要影響因素，再針對(duì)此因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，能夠大大減少實(shí)驗(yàn)量。

模型中不能忽略副反應(yīng)時(shí)，需要添加一個(gè)描述副反應(yīng)的Bulter－Volmer公式，如下所示。當(dāng)然，如果副反應(yīng)造成了其它改變，比如顆粒表面膜層厚度增大，電阻增加等，需要額外考慮。

在LiMn2O4半電池中，研究電解液溶劑（PC）與鋰離子的共嵌入副反應(yīng)（不可逆）造成的自放電時(shí)，將低速CV曲線作為模型校正標(biāo)準(zhǔn)，將副反應(yīng)的傳遞系數(shù)作為可變參數(shù)。對(duì)于不同活性物負(fù)載量的電池，得到的副反應(yīng)傳遞系數(shù)不同。電池中的副反應(yīng)難以控制與監(jiān)測(cè)，使用模型和參數(shù)辨識(shí)的方式得到與副反應(yīng)相關(guān)的理化參數(shù)有時(shí)不失為一種有效的手段。

析鋰是造成電池安全和容量衰減的罪魁禍?zhǔn)字?。理論上，?duì)鋰電位低于0V時(shí)就會(huì)析鋰，實(shí)際上由于反應(yīng)需要驅(qū)動(dòng)力，會(huì)有一定的過(guò)電勢(shì)，使負(fù)極析鋰電位偏離0V。在析鋰模型中，除了需要增加一個(gè)描述析鋰反應(yīng)BV公式之外，還要考慮鋰沉積對(duì)容量的影響、沉積層對(duì)顆粒表面膜層的影響。對(duì)LiMn2O4／石墨全電池研究發(fā)現(xiàn)：N／P是抑制析鋰的一種有效方法，顆粒粒徑越大越容易析鋰，極片越厚越容易析鋰，析鋰主要發(fā)生在恒流充電的末端，在恒壓階段析鋰現(xiàn)象迅速減弱并消失。下圖是極片厚度、顆粒尺寸、充電截止電壓對(duì)析鋰量的影響。

除此之外，對(duì)于其它副反應(yīng)，比如電解液的分解、負(fù)極上SEI膜的形成、電極中不可逆產(chǎn)物的生成等，都可以使用仿真技術(shù)進(jìn)行摸索。