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团聚体堆叠型多孔电极模型构建与应用

团聚体堆叠型多孔电极模型构建与应用

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作者：王子珩清华大学

学位级别：硕士

电动汽车的发展要求锂离子电池具有更高的能量密度和高功率充放电性能,优化电极层结构可以实现电池能量特性和功率特性的权衡,但产业界仍以试错为主要设计方法,时间长且成本高。本文采用基于模型的设计方法,聚焦电极层微观结构(而非材... 详细信息

电动汽车的发展要求锂离子电池具有更高的能量密度和高功率充放电性能,优化电极层结构可以实现电池能量特性和功率特性的权衡,但产业界仍以试错为主要设计方法,时间长且成本高。本文采用基于模型的设计方法,聚焦电极层微观结构(而非材料种类),通过开发不同复杂度的电极层电化学模型,逐步揭示结构参数对电极层性能的影响,为提升电极层比能量和比功率提供设计思路。针对锂离子电池电极层的基元——单一活性物质颗粒,本文开发了二维团聚体球形颗粒模型,并根据单颗粒微电极的倍率放电结果验证了模型的准确性。为了明确团聚体结构对改善电池倍率特性的作用,同时开发了二维实心颗粒模型,并对比了两种模型的仿真结果。通过对颗粒材料特性参数和结构特性参数的敏感性分析,探究了电池内部液相传质和固相传质过程与放电特性的关系。通过颗粒堆叠的方法,将团聚体颗粒模型拓展为颗粒规则堆叠的二维电极层模型。仿真结果表明,相同参数输入下,电极层模型的放电倍率特性比团聚体颗粒模型有明显的衰减。通过分析电极层模型在放电过程中内部物理量的分布情况,发现液相电势和液相锂离子浓度的梯度化导致的活性颗粒嵌锂程度不均匀,是限制电极层倍率特性的主要原因。颗粒规则堆叠模型能够表征电极层中的导电网络结构,通过正交实验设计,发现空间分布均匀的、高维的(一维、二维等)的助导电剂能够在保持电极层导电性的同时减小助导电剂用量,提升电极层的能量和功率性能。将电极层多孔结构的无序性和复杂性引入上述电极层模型,开发了团聚体随机堆叠的电极层模型,该模型得到了基于镀锂参比电极的三电极电池倍率放电实验结果的验证。通过模型仿真定量考察了活性物质体积分数、颗粒平均粒径、颗粒粒径分散度和活性物质涂层厚度等常用电池设计参数对能量特性和功率特性的影响。同时,基于曲折系数计算,定量的表征了在相同宏观结构设计参数下不同微观结构造成电极层性能的差异。本文开发的团聚体堆叠型多孔电极模型能够提供宏观结构和微观结构两种参数输入接口,为不同材料体系下电极层结构设计提供指导。

关键词：锂离子电池活性物质颗粒团聚体多孔电极模型结构设计

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