CN107609294A - 一种基于双层活性物质复合电极的锂离子电池等效电路模型 - Google Patents
一种基于双层活性物质复合电极的锂离子电池等效电路模型 Download PDFInfo
- Publication number
- CN107609294A CN107609294A CN201710870263.1A CN201710870263A CN107609294A CN 107609294 A CN107609294 A CN 107609294A CN 201710870263 A CN201710870263 A CN 201710870263A CN 107609294 A CN107609294 A CN 107609294A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- active material
- layer active
- lithium ion
- circuit unit
- resistance
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000011149 active material Substances 0.000 title claims abstract description 81
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 48
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 46
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 7
- 230000005012 migration Effects 0.000 claims description 7
- 238000013508 migration Methods 0.000 claims description 7
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 7
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 5
- 238000010276 construction Methods 0.000 claims description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 abstract description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 abstract description 2
- QPLDLSVMHZLSFG-UHFFFAOYSA-N Copper oxide Chemical compound [Cu]=O QPLDLSVMHZLSFG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 31
- 239000002931 mesocarbon microbead Substances 0.000 description 15
- 238000000157 electrochemical-induced impedance spectroscopy Methods 0.000 description 9
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 7
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 7
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 5
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 4
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 3
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000007770 graphite material Substances 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 2
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 description 2
- 241001269238 Data Species 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 229960004643 cupric oxide Drugs 0.000 description 1
- 230000007123 defense Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000001453 impedance spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 1
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 1
- 230000009545 invasion Effects 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 241000894007 species Species 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于双层活性物质复合电极的锂离子电池等效电路模型，该等效电路模型包括依次串联连接的电池的欧姆电阻R e、第一电路单元、第二电路单元、第三路单元、第四电路单元、第五电路单元和锂离子在活性物质中累计或消耗的嵌入电容C int。所述的等效电路模型适用于电极具有双层活性物质的锂离子电池，该等效电路模型拟合精度高，可精确有效地分析基于双层活性物质复合电极的锂离子电池内部的电化学阻抗和导电粒子传输动力学，对全面分析锂离子电池的各项电化学性能有着重要的作用。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种基于双层活性物质复合电极的锂离子电池等效电路模型。
背景技术
锂离子电池属于绿色高能可充电化学电源，具有电压高、能量密度大、循环性能好、自放电小、无记忆效应等突出优点，在运载工具、便携式电子设备、通信用后备电源、空间技术、国防工业等领域得到了广泛应用。
然而，随着电动汽车和移动电子设备的飞速发展，基于石墨材料的传统锂离子电池已经满足不了人们对能源日益增加的需求。究其原因，石墨材料虽然有着导电性好、嵌锂电位合适（0.15~0.25Ｖ）、资源丰富、价格低廉等优点，但其充当锂离子电池活性物质时也有着不可忽略的缺点：理论比容量低（372mAh/g）和倍率性能差。 因此为了弥补这些缺点，广大研究学者提出了各种优化策略，包括合成多元复合材料、制备分层活性物质、活性物质形貌的改性等。其中，制备分层活性物质的优化策略由于优化效果明显、技术难度较低和成本低廉等优点引起了广大学者的注意。
为了研究分层活性物质在锂离子电池电化学性能提升方面的重要作用，最直接有效的方法是通过电化学阻抗谱法（electrochemical impedance spectroscopy，EIS）分析锂离子在分层活性物质嵌入和脱出过程中的相关动力学参数，如电荷传递电阻、活性物质的电子电阻、扩散电阻以及锂离子扩散迁移通过固体电解质相界面（solid electrolyteinterface，SEI）膜的电阻等，从而反映锂离子电池充放电过程中电极电位、温度和充放电循环次数等的依赖关系，以及这些动力学参数对电极组成、电解液组成的依赖关系，进而阐明锂离子电池的容量衰减机制以及优化锂离子电池的循环性能和倍率性能的基本机理。在电化学阻抗谱法的分析过程中，等效电路模型对相关动力学参数的获取有着重要的影响，具体表现为所选的等效电路模型的准确性直接影响通过拟合过程而获得的动力学参数的精确度。对于电极具有多层活性物质的锂离子电池，早已有很多研究学者对其电化学阻抗谱提出了通用的等效电路模型，然而这些通用的等效电路模型对活性物质具有特定层数的锂离子电池普遍存在着拟合精度低、容易失真等现象。因此，针对活性物质特定的层数构建精确有效的等效电路模型成为了电化学阻抗谱法分析基于多层活性物质复合电极的锂离子电池电化学行为的关键所在。
发明内容
为了解决通用等效电路模型对电极具有双层活性物质的锂离子电池拟合精度低、容易失真等问题，本发明提供了一种基于双层活性物质复合电极的锂离子电池等效电路模型。
本发明通过如下技术方案实现。
一种基于双层活性物质复合电极的锂离子电池等效电路模型，适用于电极具有双层活性物质的锂离子电池，其中活性物质形状和种类不限。
一种基于双层活性物质复合电极的锂离子电池等效电路模型，所述的等效电路模型适用于电极具有双层活性物质的锂离子电池，所述的等效电路模型的组成单元主要包括电池的欧姆电阻R e、第一电路单元301、第二电路单元302、第三路单元303、 第四电路单元304、 第五电路单元305和锂离子在活性物质中累计或消耗的嵌入电容C int；所述的欧姆电阻R e、第一电路单元301、第二电路单元302、第三电路单元303、 第四电路单元304、 第五电路单元305和嵌入电容C int的依次串联。
进一步地，所述的第一电路单元301由第一层活性物质的电阻R SEI1和电容C SEI1并联组成。
所述的第二电路单元302由第一层活性物质的电阻R ct1和阻抗Z w1串联后与电容CPE 1并联组成。
所述的第三电路单元303由第二层活性物质的电阻R SEI2和电容C SEI2并联组成，所述的第四电路单元304由第二层活性物质的电阻R ct2和阻抗Z w2串联后与电容CPE 2并联组成。
所述的第五电路单元305由电阻R b和电容C b并联组成。
所述R SEI1和C SEI1分别代表第一层活性物质的锂离子扩散迁移通过SEI膜的电阻和电容；R SEI2和C SEI2分别代表第二层活性物质的锂离子扩散迁移通过SEI膜的电阻和电容，R ct1代表第一层活性物质的电荷传递电阻，R ct2代表第二层活性物质的电荷传递电阻；Z w1代表第一层活性物质的韦伯阻抗、Z w2代表第二层活性物质的韦伯阻抗、CPE 1代表第一层活性物质的双电层电容、CPE 2代表第一层活性物质的双电层电容、R b和C b分别代表活性物质（包括第一层活性物质和第二层活性物质）本体结构改变的电阻和电容。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：相比于通用的等效电路模型，本发明拟合精度更高，可更精确有效地分析基于双层活性物质复合电极的锂离子电池内部的电化学阻抗和导电粒子传输动力学，对全面分析锂离子电池的各项电化学性能有着重要的作用。
附图说明
图1为实施例中CuO/MCMB复合电极示意图；
图2为实例中基于CuO/MCMB复合电极的锂离子半电池的结构示意图；
图中所示为：1-上电池壳；2-垫片；3-锂片；4-下电池壳；5-电解液；6-CuO/MCMB（MCMB，中间相碳微球）复合电极；7-隔膜。
图3为实施例中本发明提供的一种基于双层活性物质复合电极的锂离子电池等效电路模型；
图4为实施例中本发明提供的等效电路模型与通用等效电路模型的拟合结果对比图。
具体实施方式
为进一步理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但是需要说明的是，本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围，权利要求范围内的其他未列举实施例同样有效。
实施例
本例采用CuO/MCMB复合电极对本发明作进一步的说明。所述的CuO/MCMB复合电极包含三部分：铜集流体、氧化铜（CuO）和中间相碳微球（MCMB）。其中，活性物质CuO存储于铜集流体表面的盲孔结构内，活性物质MCMB则覆盖于铜集流体和CuO的表面，从而构成整个CuO/MCMB复合电极，如图1所示。将所述的CuO/MCMB复合电极装配成如图2所示的锂离子半电池，其中CuO/MCMB复合电极6置于下电池壳4上，电解液5充满由CuO/MCMB复合电极6、下电池壳4和隔膜7所组成的整个腔体，电解液5直接浸润CuO/MCMB复合电极6上的双层活性物质（CuO和MCMB）；锂片3紧贴在隔膜7上，锂片3的上表面放置着垫片2，从而起到调整电池内部压力的作用。垫片2与上电池壳1紧密接触以减小接触电阻，保证电池内部的良好的导电性。
如图3，所述的等效电路模型的组成单元主要包括电池的欧姆电阻R e、第一电路单元301、第二电路单元302、第三路单元303、 第四电路单元304、 第五电路单元305和锂离子在活性物质中累计或消耗的嵌入电容C int；所述的欧姆电阻R e、第一电路单元301、第二电路单元302、第三电路单元303、 第四电路单元304、 第五电路单元305和嵌入电容C int的依次串联。
进一步地，所述的第一电路单元301由第一层活性物质的电阻R SEI1和电容C SEI1并联组成，所述的第二电路单元302由第一层活性物质的电阻R ct1和阻抗Z w1串联后与电容CPE 1并联组成，所述的第三电路单元303由第二层活性物质的电阻R SEI2和电容C SEI2并联组成，所述的第四电路单元304由第二层活性物质的电阻R ct2和阻抗Z w2串联后与电容CPE 2并联组成，所述的第五电路单元305由电阻R b和电容C b并联组成；其中R SEI1和C SEI1分别代表第一层活性物质的锂离子扩散迁移通过SEI膜的电阻和电容；R SEI2和C SEI2分别代表第二层活性物质的锂离子扩散迁移通过SEI膜的电阻和电容，R ct1代表第一层活性物质的电荷传递电阻，R ct2代表第二层活性物质的电荷传递电阻；Z w1代表第一层活性物质的韦伯阻抗、Z w2代表第二层活性物质的韦伯阻抗、CPE 1代表第一层活性物质的双电层电容、CPE 2代表第一层活性物质的双电层电容、R b和C b分别代表活性物质（包括第一层活性物质和第二层活性物质）本体结构改变的电阻和电容。
锂离子半电池装配完成后，使用CHI650D 电化学工作站对其进行EIS测试，其中设置电化学工作站的扫描频率为10-2~105Hz，振幅为5mV，静置时间为2s。对EIS测试得到的电化学阻抗谱数据采用ZsimpWin软件进行拟合，并通过拟合结果来验证本发明提供的等效电路模型（如图图3）的精确性和有效性，拟合结果如图4所示。从图4中(a)可以看出，采用本发明提供的等效电路模型对EIS测试数据拟合的曲线与实际测试曲线的重合度相当高，这体现了使用该等效电路模型分析基于CuO/MCMB复合电极的锂离子电池的电化学行为的精确性和有效性。相比之下，采用通用等效电路模型对测试数据进行拟合时，曲线的中频部分和高频部分出现了拟合曲线和实际测试曲线重合度差的问题，如图4中(b)所示。因此，上述测试结果表明，在使用电化学阻抗谱法分析电极具有双层活性物质的锂离子电池的电化学行为时，相对于通用的等效电路模型，本发明提供的等效电路模型拟合精度更高，结果更加精确有效。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于双层活性物质复合电极的锂离子电池等效电路模型，其特征在于，所述的等效电路模型适用于电极具有双层活性物质的锂离子电池，所述的等效电路模型的组成单元主要包括电池的欧姆电阻R e、第一电路单元、第二电路单元、第三路单元、 第四电路单元、 第五电路单元和锂离子在活性物质中累计或消耗的嵌入电容C int；所述的欧姆电阻R e、第一电路单元、第二电路单元、第三电路单元、 第四电路单元、 第五电路单元和嵌入电容C int的依次串联。
2.根据权利要求1所述的一种基于双层活性物质复合电极的锂离子电池等效电路模型，其特征在于，所述的第一电路单元由第一层活性物质的电阻R SEI1和电容C SEI1并联组成；R SEI1和C SEI1分别代表第一层活性物质的锂离子扩散迁移通过SEI膜的电阻和电容。
3.根据权利要求1所述的一种基于双层活性物质复合电极的锂离子电池等效电路模型，其特征在于，所述的第二电路单元由第一层活性物质的电阻R ct1和阻抗Z w1串联后与电容CPE 1并联组成；R ct1代表第一层活性物质的电荷传递电阻，Z w1代表第一层活性物质的韦伯阻抗，CPE 1代表第一层活性物质的双电层电容。
4.根据权利要求1所述的一种基于双层活性物质复合电极的锂离子电池等效电路模型，其特征在于，所述的第三电路单元由第二层活性物质的电阻R SEI2和电容C SEI2并联组成；R SEI2和C SEI2分别代表第二层活性物质的锂离子扩散迁移通过SEI膜的电阻和电容。
5.根据权利要求1所述的一种基于双层活性物质复合电极的锂离子电池等效电路模型，其特征在于，所述的第四电路单元由第二层活性物质的电阻R ct2和阻抗Z w2串联后与电容CPE 2并联组成；R ct2代表第二层活性物质的电荷传递电阻； Z w2代表第二层活性物质的韦伯阻抗，CPE 2代表第一层活性物质的双电层电容。
6.根据权利要求1所述的一种基于双层活性物质复合电极的锂离子电池等效电路模型，其特征在于，所述的第五电路单元由电阻R b和电容C b并联组成；R b和C b分别代表活性物质本体结构改变的电阻和电容。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710870263.1A CN107609294A (zh) | 2017-09-23 | 2017-09-23 | 一种基于双层活性物质复合电极的锂离子电池等效电路模型 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710870263.1A CN107609294A (zh) | 2017-09-23 | 2017-09-23 | 一种基于双层活性物质复合电极的锂离子电池等效电路模型 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN107609294A true CN107609294A (zh) | 2018-01-19 |
Family
ID=61057741
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201710870263.1A Pending CN107609294A (zh) | 2017-09-23 | 2017-09-23 | 一种基于双层活性物质复合电极的锂离子电池等效电路模型 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN107609294A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110069890A (zh) * | 2019-05-06 | 2019-07-30 | 北京航空航天大学 | 锂离子电池正极材料导电性能仿真生成方法 |
| CN112731181A (zh) * | 2020-12-30 | 2021-04-30 | 哈尔滨工业大学（威海） | 一种基于电化学原理的锂离子电池阻抗模型 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN207216616U (zh) * | 2017-09-23 | 2018-04-10 | 华南理工大学 | 一种基于双层活性物质复合电极的锂离子电池等效电路模型 |
-
2017
- 2017-09-23 CN CN201710870263.1A patent/CN107609294A/zh active Pending
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN207216616U (zh) * | 2017-09-23 | 2018-04-10 | 华南理工大学 | 一种基于双层活性物质复合电极的锂离子电池等效电路模型 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| WEI YUAN等: "Hierarchical MCMB/CuO/Cu anode with super-hydrophilic substrate and blind-hole structures for lithium-ion batteries", 《JOURNAL OF ALLOYS AND COMPOUNDS》, vol. 719, pages 353 - 364, XP085067066, DOI: 10.1016/j.jallcom.2017.05.195 * |
| WEI YUAN等: "Hierarchical shell/core CuO nanowire/carbon fiber composites as binder-free anodes for lithium-ion batteries", 《ELECTROCHIMICA ACTA》, vol. 241, pages 269 - 270 * |
| WEI YUAN等: "High-performance CuO/Cu composite current collectors with array-pattern porous structures for lithium-ion batteries", 《ELECTROCHIMICA ACTA》, vol. 226, pages 89 - 97, XP029901383, DOI: 10.1016/j.electacta.2016.12.139 * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110069890A (zh) * | 2019-05-06 | 2019-07-30 | 北京航空航天大学 | 锂离子电池正极材料导电性能仿真生成方法 |
| CN110069890B (zh) * | 2019-05-06 | 2020-08-11 | 北京航空航天大学 | 锂离子电池正极材料导电性能仿真生成方法 |
| CN112731181A (zh) * | 2020-12-30 | 2021-04-30 | 哈尔滨工业大学（威海） | 一种基于电化学原理的锂离子电池阻抗模型 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Zhang et al. | Electrochemical impedance spectroscopy study of lithium-ion capacitors: Modeling and capacity fading mechanism | |
| Wang et al. | Electrochemical impedance study of initial lithium ion intercalation into graphite powders | |
| Conte | Battery and battery management for hybrid electric vehicles: a review | |
| Cao et al. | The effect of lithium loadings on anode to the voltage drop during charge and discharge of Li-ion capacitors | |
| CN106680726A (zh) | 一种锂离子电池循环性能的检验方法 | |
| CN102956893B (zh) | 一种低温镍氢电池及其制备方法 | |
| CN109638360B (zh) | 一种全固态锂硫电池的制备方法及制备模具 | |
| CN109659560B (zh) | 一种用于锂离子电池的磷酸钴锂正极材料及制备方法 | |
| CN201153140Y (zh) | 一种高安全性聚合物电池正极 | |
| CN104347880A (zh) | 可快充的锂离子电池 | |
| CN101663781A (zh) | 用于锂蓄电池的壳核型阳极活性材料、制备所述材料的方法以及包含所述材料的锂蓄电池 | |
| Shi et al. | Electrochemical impedance spectroscopy investigation of the FeF3/C cathode for lithium-ion batteries | |
| CN108508067A (zh) | 一种采用对称电池评价锂离子电池的电池材料的方法 | |
| Orsini et al. | Impedance study of the Li/electrolyte interface upon cycling | |
| CN103247823B (zh) | 全固态锂离子电池及其制备方法 | |
| Jin et al. | An Overview on Design Parameters of Practical Lithium‐Ion Capacitors | |
| CN107677712A (zh) | 一种锂离子电池电化学阻抗谱的测试方法 | |
| CN207216616U (zh) | 一种基于双层活性物质复合电极的锂离子电池等效电路模型 | |
| CN102412388A (zh) | 一种三元材料锂离子电池正极用极片及其涂布方法 | |
| Song et al. | Equivalent circuit models and parameter identification methods for lithium-ion capacitors | |
| CN104715931A (zh) | 储能元件与超级电容器元件 | |
| CN107609294A (zh) | 一种基于双层活性物质复合电极的锂离子电池等效电路模型 | |
| Ariyoshi et al. | Electrochemical impedance analysis of Li [Li0. 1Al0. 1Mn1. 8] O4 used as lithium-insertion electrodes by the diluted electrode method | |
| Madabattula et al. | Degradation diagnostics for Li4Ti5O12-based lithium ion capacitors: Insights from a physics-based model | |
| CN102520363A (zh) | 一种锂离子电池的低温性能测评方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |