數(shù)學(xué)模型在鋰電池設(shè)計(jì)方面有哪些應(yīng)用你知道嗎？
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-29 19:29
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在鋰離子電池的設(shè)計(jì)研發(fā)中，正極材料的選擇至關(guān)重要，它將直接決定所開(kāi)發(fā)的電池是否滿足終端客戶的需求。目前成熟商業(yè)化的鋰離子電池正極材料有：鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳鈷錳三元材料以及磷酸鐵鋰。
這些材料各具特性，如錳酸鋰具有好的倍率性能，三元材料具有高的容量，磷酸鐵鋰可以提供長(zhǎng)的循環(huán)壽命等。為了兼顧各正極材料的優(yōu)勢(shì)，混合材料的正極體系被很多電池廠家所采用用于設(shè)計(jì)動(dòng)力電池，例如，三元材料和錳酸鋰混合則可以設(shè)計(jì)出兼顧容量和功率的電池，但同時(shí)也因?yàn)殡姵伢w系相對(duì)復(fù)雜而帶來(lái)對(duì)其分析的困難。
加拿大滑鐵盧大學(xué)的毛治宇博士構(gòu)建了一種兩尺度的數(shù)學(xué)模型用以描述某商業(yè)化電池的三元和錳鋰材料混合的正極性能(JournalofTheElectrochemicalSociety,163(3)A458-A469(2016))，作為研究，模型選擇扣式半電池為研究對(duì)象，其物理模型包括單顆粒尺度和電極尺度(如圖一)。
結(jié)合實(shí)際測(cè)量，此模型的特點(diǎn)是包含兩種不同粒徑的三元材料和一種粒徑的錳酸鋰材料，而且它們均與電池的容量貢獻(xiàn)相聯(lián)系。通過(guò)測(cè)量活性材料的物理規(guī)格(如粒徑等)、設(shè)計(jì)規(guī)格(如電極碾壓密度、電導(dǎo)率等)，將所有的參數(shù)輸入數(shù)學(xué)模型，通過(guò)計(jì)算，所擬合的電極倍率曲線可以很好的描述電池的性能(如圖二)。
通過(guò)模型的定量分析技術(shù)，由于三元材料顆粒的嚴(yán)重團(tuán)聚所造成很寬的粒徑分布，這對(duì)電池的容量產(chǎn)生很大的影響，即小顆?？梢猿浞直焕?，提供高的容量，而團(tuán)聚后形成的大顆粒則利用率低。
這對(duì)材料供應(yīng)商以及電池制作的工藝工程師均有指導(dǎo)性作用，如若在不影響正常涂覆的情況下，所合成的三元材料顆粒較小且均一性好，而且勻漿時(shí)盡量減少顆粒團(tuán)聚，這樣所設(shè)計(jì)的電池的最終容量將會(huì)有大幅的提升。
此外，利用此數(shù)學(xué)模型，通過(guò)調(diào)整其它參數(shù)，也可以檢測(cè)哪些因素對(duì)電池最終性能影響最為敏感，從而對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。例如，通過(guò)調(diào)整電極孔隙率，可知其變化是如何影響電池性能的，進(jìn)而工藝工程師可通過(guò)調(diào)整電極烘干溫度、風(fēng)速等來(lái)優(yōu)化孔隙率，進(jìn)而優(yōu)化電池設(shè)計(jì)。
