CN109635446B - 拟合复合电极的开路电势曲线的方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提出了拟合复合电极的开路电势曲线的方法、拟合全电池的放电曲线的方法。该拟合复合电极的开路电势曲线的方法包括：(1)建立半电池的一维有限元几何模型，半电池包括复合电极，且复合电极由多种活性材料形成；(2)定义半电池的材料参数和边界条件，其中，复合电极的材料参数包括多种活性材料的复合材料参数；(3)对半电池的一维有限元几何模型进行有限元网格划分；(4)获得半电池的开路电势曲线，作为复合电极的开路电势曲线。本发明所提出的拟合方法，模拟出的复合电极的开路电势曲线准确度较高，并且，该拟合方法采用的一维模型所需的运算时间短，从而使周期更短、调整更简单灵活。

Description

拟合复合电极的开路电势曲线的方法及其应用

技术领域

本发明涉及电化学仿真技术领域，具体的，本发明涉及拟合复合电极的开路电势曲线的方法及其应用。更具体的，本发明涉及拟合复合电极的开路电势曲线的方法、拟合全电池的放电曲线的方法。

背景技术

随着以锂离子电池为主流动力来源的新能源汽车的兴起，锂离子电池制造商及整车厂越来越重视电池的性能。对于锂离子电池制造商来说，常规的提高电池性能的步骤包括设计电池、制作电池、测试电池、数据分析、优化设计、再制作、再测试等等，整个流程通常需要一年以上才能提供出满足客户需求的电池样品。为提高产品竞争力，无论是电池制造商还是整车厂都需要压缩开发周期、降低产品成本并保证产品性能，因此在电池设计阶段就要提前知晓电池的大致性能，并相应地调整设计，以期在最短的时间内向客户提供高质量的产品。而计算机辅助工程(Computer Aided Engineering，简称CAE)，俗称“仿真”的方法可有效地实现上述目的。

锂离子电池主要包括倍率充/放电、低温充/放电、存储性能、循环寿命、安全性能等性能。为实现对这些性能的仿真，需建立电化学模型、传热模型及力学模型，其中最主要且最重要的是电化学模型，也是建立传热模型和力学模型的基础。而建立电化学模型的核心步骤需要输入正、负极的开路电势曲线(即SOC-OCV曲线)。电极开路电势曲线表征的是，电极开路电势随活性材料嵌入锂离子的增加而降低，是电极材料的固有属性。针对正、负极为单一电极的锂离子电池，获得电极开路电势曲线的常规方法是进行实测，且电池制造商在研发过程中通常会积累大量的单一电极开路电势曲线，以便对比不同材料供应商、不同型号的材料特性。如果没有实际进行测试，也可由材料供应商提供，因此单一电极开路电势曲线比较容易获得。

随着新能源汽车技术的发展，单一电极已不能满足动力电池的性能需求。尤其是近年来在提升电池能量密度的国家政策驱动下，同时需要保证电池的循环寿命和安全性能，复合电极(即电极中至少含有两种活性材料)被广泛采用于电池设计中，通过合理调整活性材料的比例、利用不同活性材料的特性使电池性能最优化。但是，实测复合电极的周期长、成本高，现阶段还没有一种准确度高、周期短且简单实用的对复合电极的开路电势曲线进行拟合的方法。

发明内容

本发明是基于发明人的下列发现而完成的：

本发明的发明人在研究过程中发现，对于具有复合电极的锂离子电池，现阶段主要采用三种方法获得其电极开路电势曲线：第一种方法是实测，即经过匀浆、涂布、碾压、烘烤、裁切等工序制作出电极极片，然后以锂金属片作为对电极制作出扣式半电池，并对半电池进行小电流(0.01～0.1C)充放电，即可获得复合电极的开路电势曲线；但是，这种实测方法至少需要一星期且研发成本较高。第二种不需要制作半电池，根据复合电极中活性材料的种类和配比，分别调用仿真软件材料库中活性材料的开路电势曲线(若材料库中没有相应材料的开路电势曲线，可使用相近材料代替)，可模拟出全电池的放电曲线，然后将仿真得出的全电池放电曲线与实际的进行对比，并采用软件进行数学拟合，最后可模拟出复合电极的开路电势曲线；但是，这种方法对仿真人员的专业技能即熟练度要求较高，特别是对于材料库中没有的材料，模拟出的开路电势曲线存在较大的差异。第三种是直接将单一电极的开路电势曲线导入仿真软件的材料库，代替内置的开路电势曲线，并模拟出全电池的放电曲线，再模拟出复合电极的开路电势曲线；但是，这种方法的收敛性差，这是由于单一电极与全电极的开路电势曲线存在初始值不匹配或难找到合适的初始值而影响到了模型的收敛性。

本发明的发明人经过深入研究，设计一种拟合复合电极的开路电势曲线的方法，采用半电池的一维有限元几何模型，并选择组成复合电极的多种活性材料的复合材料参数导入仿真软件的材料库，模拟出半电池的开路电势曲线，作为复合电极的开路电势曲线，如此，该拟合复合电极的开路电势曲线的方法的准确度高、周期短且简单实用。

有鉴于此，本发明的一个目的在于提出一种准确度高、周期短或简单实用的拟合复合电极的开路电势曲线的方法。

在本发明的第一方面，本发明提出了一种拟合复合电极的开路电势曲线的方法。

根据本发明的实施例，所述方法包括：(1)建立半电池的一维有限元几何模型，所述半电池包括所述复合电极，且所述复合电极由多种活性材料形成；(2)定义所述半电池的材料参数和边界条件，其中，所述复合电极的材料参数包括所述多种活性材料的复合材料参数；(3)对所述半电池的一维有限元几何模型进行有限元网格划分；(4)获得所述半电池的开路电势曲线，作为所述复合电极的开路电势曲线。

发明人经过研究发现，采用本发明实施例的拟合方法，可通过半电池的一维有限元几何模型，并选择组成复合电极的多种活性材料的复合材料参数导入仿真软件的材料库，从而可模拟出准确度较高的复合电极的开路电势曲线，并且，该拟合方法采用的一维模型所需的运算时间短，从而使周期更短、调整更简单灵活。

另外，根据本发明上述实施例的拟合方法，还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的实施例，所述半电池的一维有限元几何模型为两线三点型，其中，所述两线分别代表所述复合电极、所述半电池的隔离膜，所述三点分别代表所述半电池的集流体、所述复合电极与所述隔离膜的界面、所述半电池的测试锂电极。

根据本发明的实施例，所述两线各自的长度分别为所述复合电极、所述隔离膜的厚度，且所述半电池的一维有限元几何模型忽略所述集流体的厚度、所述复合电极与所述隔离膜的界面的厚度、所述测试锂电极的厚度。

根据本发明的实施例，所述多种活性材料的复合材料参数是通过将多种所述活性材料的材料参数加权平均后获得的。

在本发明的第二方面，本发明提出了一种拟合全电池的放电曲线的方法。

根据本发明的实施例，所述方法包括上述的拟合复合电极的开路电势曲线的步骤。

发明人经过研究发现，采用本发明实施例的拟合方法，可采用拟合准确度较高的复合电极的开路电势曲线，从而拟合出的全电池的放电曲线的收敛性更好、周期更短且准确度更高。本领域技术人员能够理解的是，前面针对拟合复合电极的开路电势曲线的方法所描述的特征和优点，仍适用于该拟合全电池的放电曲线的方法，在此不再赘述。

另外，根据本发明上述实施例的拟合方法，还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的实施例，所述方法进一步包括：(5)建立全电池的一维有限元几何模型，且所述复合电极作为所述全电池的正极和负极中的至少一个；(6)定义所述全电池的材料参数和边界条件，其中，所述全电池的材料参数包括所述复合电极的开路电势曲线；(7)对所述全电池的一维有限元几何模型进行有限元网格划分；(8)获得所述全电池的放电曲线。

根据本发明的实施例，所述全电池的一维有限元几何模型为五线六点型，其中，所述五线分别代表所述全电池的正极集流体、正极、隔离膜、负极和负极集流体，所述六点分别代表所述正极集流体的第一末端、所述正极集流体与所述正极的第一界面、所述正极与所述隔离膜的第二界面、所述隔离膜与所述负极的第三界面、所述负极与所述负极集流体的第四界面、所述负极集流体的第二末端。

根据本发明的实施例，所述五线各自的长度分别为所述正极集流体的厚度的一半、所述正极的厚度、所述隔离膜的厚度、所述负极的厚度、所述负极集流体的厚度的一半。

根据本发明的实施例，所述全电池的材料参数还包括所述复合电极的材料参数。

根据本发明的实施例，所述方法进一步包括：(9)将拟合获得的所述全电池的放电曲线，与实测的所述全电池的放电曲线进行对比，确定出拟合方法的准确度。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述的方面结合下面附图对实施例的描述进行解释，其中：

图1是本发明一个实施例的模拟复合电极的开路电势曲线的方法流程示意图；

图2是本发明一个实施例的半电池的一维有限元几何模型；

图3是本发明一个实施例的模拟全电池的放电曲线的方法流程示意图；

图4是本发明一个实施例的全电池的一维有限元几何模型；

图5是本发明另一个实施例的模拟全电池的放电曲线的方法流程示意图；

图6是本发明一个实施例的重量比为1:9的SiO与C组成的复合电极的开路电势仿真曲线；

图7是本发明一个实施例的全电池在不同的放电电流倍率下的放电仿真曲线；

图8是本发明一个实施例的全电池的放电仿真曲线与实测曲线的对比。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，本技术领域人员会理解，下面实施例旨在用于解释本发明，而不应视为对本发明的限制。除非特别说明，在下面实施例中没有明确描述具体技术或条件的，本领域技术人员可以按照本领域内的常用的技术或条件或按照产品说明书进行。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种拟合复合电极的开路电势曲线的方法。

根据本发明的实施例，参考图1，该拟合方法包括：

S110：建立半电池的一维有限元几何模型。

在该步骤中，建立半电池的一维有限元几何模型，该半电池包括了复合电极，且复合电极由多种活性材料形成。根据本发明的实施例，该半电池可以是含正极的半电池，则复合电极作为正极，且半电池包括正极集流体、正极、隔离膜和测试锂电极；该半电池也可以是含负极的半电池，则复合电极作为负极，且半电池包括负极集流体、负极、隔离膜和测试锂电极。

在本发明的一些实施例中，参考图2，该半电池的一维有限元几何模型可以是两线三点型，其中，两线中线S₁代表复合电极、线S₂代表隔离膜，而三点中点a₁代表集流体、点a₂代表复合电极与隔离膜的界面、点a₃代表测试锂电极。如此，将含有复合电极的半电池简化成一维有限元几何模型，其中，该模型忽略了集流体的厚度、复合电极与隔离膜的界面厚度、测试锂电极的厚度，并用两线中S₁的长度l₁表示复合电极的厚度、S₂的长度l₂表示隔离膜的厚度(复合电极和隔离膜的具体厚度可来源于全电池的设计方案)。本发明的发明人选择采用上述的一维模型，是由于其运算量小而所需运算时间短，有利于显著缩短周期长度，虽然，一维模型只包含了半电池在厚度上的信息，没有二维或三维模型的精度那么高，但是一维模型已经能够满足模拟出的复合电极的开路电势曲线的精度要求，所以，发明人设计出的半电池的一维有限元几何模型，是本发明重要的改进点之一。

根据本发明的实施例，建立该半电池的一维有限元几何模型借助的参数化设计语言的具体类型不受特别的限制，具体例如COMSOL、BDS或Autolion等仿真软件，本领域技术人员可根据计算机软件的功能性进行相应地选择。在本发明的一些实施例中，发明人选择COMSOL软件建立半电池的一维有限元几何模型并模拟出复合电极的开路电势曲线，是由于COMSOL软件不仅具有材料库，还可以修改公式及其参数，从而方便发明人将复合材料的属性指定给电极，进而使模拟的结果与实测数据的吻合度更高。

S120：定义半电池的材料参数和边界条件。

在该步骤中，在步骤S110建立好半电池的一维有限元几何模型之后，再定义半电池的材料参数和边界条件，其中，复合电极的材料参数包括多种活性材料的复合材料参数。

根据本发明的实施例，由于复合电极是由多种活性材料形成的，将组成复合电极的各个活性材料作为单一电极的开路电势曲线导入到软件的材料库中，并分别指定给半电池的一维有限元几何模型中的电极。具体的，可将多种活性材料的材料参数加权平均后获得的复合材料参数指定给半电池的一维有限元几何模型中的电极。如此，相对于直接调用仿真软件材料库中现有材料的单一电极的开路电势曲线，该方法模拟出的复合电极的开路电势曲线的准确性更高。

在本发明的一些实施例中，复合电极可以是由两种活性材料形成的，以质量比为1：9的一氧化硅(SiO)和石墨(C)混合形成的复合电极作为负极为例，可将SiO和C各自的单一电极的开路电势曲线导入到软件的材料库中，再按照1：9的加权法计算出复合电极的材料参数并指定给负极，如此，可更准确地模拟出复合电极的开路电势曲线。在一些具体示例中，电极是多孔电极，如此，电极的空隙中还充满了电解液，则需要将两种活性材料和电解液的属性分别赋予给多孔电极。

根据本发明的实施例，半电池的材料参数除了复合电极的材料参数以外，还包括集流体、隔离膜和测试锂电极的材料参数，如此，给多孔的隔离膜赋予电解质的属性，给集流体赋予其材料参数。根据本发明的实施例，集流体的材料参数本领域技术人员可根据集流体的具体材料种类进行相应地选择，对于SiO和C混合形成的复合电极作为负极的情况，赋予负极集流体铜(Cu)的属性。

根据本发明的实施例，边界条件可包括半电池的充放电电流密度和测试锂电极的电势等，其中，根据设计好的半电池容量密度q(单位为Ah/m²)、放电电流倍率c(例如，c可为0.1)和公式i＝q*c，可确定出半电池的充放电电流密度i(单位为A/m²)，并设定测试锂电极的电势为0V，如此，方便仿真软件模拟出更准确的复合电极的开路电势曲线。

S130：对半电池的一维有限元几何模型进行有限元网格划分。

在该步骤中，对步骤S110建立的半电池的一维有限元几何模型进行有限元网格划分。在本发明的一些实施例中，可直接使用COMSOL软件的工具对步骤S110的半电池的一维有限元几何模型自动进行有限元网格划分，如此，快捷、方便，更有利于缩短模拟周期。

S140：获得半电池的开路电势曲线，作为复合电极的开路电势曲线。

在该步骤中，在步骤S120、S130的基础上模拟出半电池的开路电势曲线，可作为复合电极的开路电势曲线。在本发明的一些实施例中，对于COMSOL软件可直接求解并模拟出半电池的开路电势曲线，如此，通过操作仿真软件能直接输出半电池的开路电势曲线，更高效、人性化。

综上所述，根据本发明的实施例，本发明提出了一种拟合方法，可通过半电池的一维有限元几何模型，并选择组成复合电极的多种活性材料的复合材料参数导入仿真软件的材料库，从而可模拟出准确度较高的复合电极的开路电势曲线，并且，该拟合方法采用的一维模型所需的运算时间短，一般的仿真人员只需花费1个小时左右，从而有效地使周期更短、调整更简单灵活。

在本发明的另一个方面，本发明提出了一种拟合全电池的放电曲线的方法。

根据本发明的实施例，参考图3，该拟合方法包括上述的拟合复合电极的开路电势曲线的步骤S100。具体的，该拟合方法还可进一步包括：

S200：建立全电池的一维有限元几何模型。

在该步骤中，建立全电池的一维有限元几何模型，且步骤S100中的复合电极作为全电池的正极和负极中的至少一个。根据本发明的实施例，全电池的正极可以是复合电极而负极是单一电极，或者全电池的正极可以是单一电极而负极是复合电极，也可以全电池的正极和负极都是复合电极。

在本发明一些实施例中，参考图4，全电池的一维有限元几何模型可为五线六点型，其中，五线中线T₁代表正极集流体、线T₂代表正极、线T₃代表隔离膜、线T₄代表负极、线T₅代表负极集流体，而六点中点b₁代表正极集流体的第一末端、点b₂代表正极集流体与正极的第一界面、点b₃代表正极与隔离膜的第二界面、点b₄代表隔离膜与负极的第三界面、点b₅代表负极与负极集流体的第四界面、点b₆代表负极集流体的第二末端。如此，全电池也采用一维模型，其运算量小而所需运算时间短，有利于显著缩短整个模拟周期的长度。

根据本发明的实施例，五线中线T₁的长度L₁为正极集流体厚度的一半、线T₂的长度L₂为正极的厚度、线T₃的长度L₃为隔离膜的厚度、线T₄的长度L₄为负极的厚度、线T₅的长度L₅为负极集流体厚度的一半(正极集流体、正极、隔离膜、负极和负极集流体的具体厚度可来源于全电池的设计方案)。其中，由于该一维有限元几何模型只考虑了与隔离膜接触的一层多孔电极，而忽略了隔离膜另一侧的多孔电极，所以，集流体的厚度只取一半作为长度。如此，采用上述的一维模型，可使拟合出的全电池的放电曲线与实际测试结果的吻合度更高。

根据本发明的实施例，建立该全电池的一维有限元几何模型借助的参数化设计语言的具体类型也不受特别的限制，具体例如COMSOL、BDS、Autolion等仿真软件，本领域技术人员可根据计算机软件的功能性进行相应地选择。在本发明的一些实施例中，发明人同样选择COMSOL软件建立全电池的一维有限元几何模型并模拟出全电池的放电曲线，如此，COMSOL软件的操作简便、对仿真人员的专业性要求没那么高，且该仿真软件中公式的参数可以修改，方便仿真人员进行调整和修正。

S300：定义全电池的材料参数和边界条件。

在该步骤中，给全电池的正极集流体、正极、隔离膜、负极和负极集流体分别赋予各自的材料参数，其中，全电池的材料参数包括步骤S100获得的复合电极的开路电势曲线，并添加全电池的一维有限元几何模型的边界条件。根据本发明的实施例，该全电池的正极可以是复合电极而负极是单一电极，也可以正极是单一电极而负极是复合电极，或者正极和负极都是复合电极。根据本发明的实施例，全电池的材料参数还包括复合电极的材料参数。

在本发明的一些实施例中，全电池的正极是复合电极而负极是单一电极，可将步骤S100获得的复合电极的开路电势曲线赋予正极，而正极的材料参数可根据复合电极中多种活性材料的配比通过加权法计算出(例如，正极平均粒径＝活性材料1平均粒径*第一百分比+活性材料2平均粒径*第二百分比)，且给负极赋予单一电极的开路电势曲线及其材料属性。

在本发明的另一些实施例中，全电池的正极是单一电极而负极是复合电极，可给正极赋予单一电极的开路电势曲线及其材料属性，而将步骤S100获得的复合电极的开路电势曲线赋予负极，并根据复合电极中多种活性材料的配比通过加权法计算出正极的材料参数。

在本发明的另一些实施例中，全电池的正极和负极都是复合电极，将步骤S100获得的一种相同的或两种不同的复合电极的开路电势曲线分别赋予正极和负极，并根据复合电极中多种活性材料的具体配比通过加权法分别计算出正极和负极的材料参数。

在一些具体示例中，正极和负极是多孔电极，如此，电极的空隙中还充满了电解液，则需要将多种活性材料和电解液的属性分别赋予正极和负极。

根据本发明的实施例，全电池的材料参数除了正极和负极的材料参数以外，还包括正极集流体、隔离膜和负极集流体的材料参数，如此，给正极集流体赋予材料(例如铝)属性，给多孔的隔离膜赋予电解液的属性，并给负极集流体赋予材料(例如铜)属性，从而可使拟合出的全电池的放电曲线的准确性更高。

根据本发明的实施例，边界条件可包括全电池的充放电电流密度和负极集流体的第二末端的电势等，其中，根据设计好的全电池容量密度Q(单位为Ah/m²)、放电电流倍率C和公式I＝Q*C，可确定出全电池的充放电电流密度I(单位为A/m²)，并设定负极集流体的第二末端的电势为0V，如此，方便仿真软件模拟出更准确的全电池的放电曲线。

S400：对全电池的一维有限元几何模型进行有限元网格划分。

在该步骤中，对步骤S200建立的全电池的一维有限元几何模型，进行有限元网格划分。在本发明的一些实施例中，可直接使用COMSOL软件的工具对步骤S200的全电池的一维有限元几何模型自动进行有限元网格划分，如此，快捷、方便，更有利于缩短整个模拟周期的耗时。

S500：获得全电池的放电曲线。

在该步骤中，在步骤S300、S400的基础上可通过仿真软件模拟出全电池的放电曲线。在本发明的一些实施例中，对于COMSOL软件可直接求解并模拟出全电池的放电曲线，如此，通过使用功能化的仿真软件直接输出全电池的开路电势曲线，更高效、人性化。

在本发明的一些实施例中，参考图5，该拟合方法可进一步包括：

S600：将拟合获得的全电池的放电曲线，与实测的全电池的放电曲线进行对比，确定出拟合方法的准确度。

在该步骤中，还可将步骤S500模拟出的全电池的放电曲线，与实测的全电池的放电曲线进行对比，校验仿真结果的准确性。如果模拟的与实测的全电池的放电曲线的吻合度还不够理想的情况下，后续还可通过修改材料参数(例如修改COMSOL软件中Bruggeman参数)，从而进一步提高仿真结果与实测数据的吻合度。

综上所述，根据本发明的实施例，本发明提出了一种拟合方法，可采用拟合准确度较高的复合电极的开路电势曲线，从而拟合出的全电池的放电曲线的收敛性更好、周期更短且准确度更高，一般仿真人员只需花费半天时间即可完成模拟。本领域技术人员能够理解的是，前面针对拟合复合电极的开路电势曲线的方法所描述的特征和优点，仍适用于该拟合全电池的放电曲线的方法，在此不再赘述。

本发明具有的优点和积极效果是：

(1)收敛性好：本发明的拟合全电池的放电曲线的方法，不会造成单一电极与全电池的SOC-OCV存在初始值不匹配或难以找到合适的初始值，具有良好的收敛性，不会因为收敛性的问题导致程序运行中止。

(2)周期短：①无需进行制作复合电极、组装扣式半电池、测试半电池这一系列操作；②所建的几何模型为一维模型，运算时间短；③具有良好的收敛性，程序运行顺利，减少了调整初始值的时间。

(3)简单灵活：①当电池设计方案发生变动(例如复合电极中两种活性材料的种类或者比例发生变动)，本发明的方法只需相应地调整电极的材料参数即可；②一次仿真准确度较高，降低了后续模型修正的难度。

下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。

实施例1

在该实施例中，模拟出复合电极的开路电势曲线。具体的，复合电极作为半电池的负极，该复合电极是由SiO与石墨组成多孔电极，且SiO与石墨的质量百分比为10％：90％；负极集流体由Cu形成；而隔离膜也为多孔结构，且负极与隔离膜的孔隙中都填满电解液。模拟的步骤1具体如下：

步骤1.1、建立双层结构的半电池的一维有限元几何模型：

使用参数化设计语言(COMSOL软件)建立半电池的一维有限元几何模型，其包含两线三点，如图2所示，两线S₁、S₂分别代表具有厚度l₁的负极、具有厚度l₂的隔离膜，线条的长度即代表厚度，且负极和隔离膜的厚度来源于电池设计方案，而三点分别代表负极集流体、负极多孔电极与隔离膜的界面、锂片，本模型都不考虑负极集流体、负极多孔电极与隔离膜的界面、锂片的厚度，因此用点代替。

步骤1.2、给半电池几何模型赋予材料属性：

将实验测得的或材料供应商提供的SiO、石墨的开路电势曲线分别导入软件的材料库，并分别指定给步骤1.1中的负极。负极多孔电极的孔隙中充满电解液，因此还需要给负极赋予电解液的属性；隔离膜的孔隙由电解液填充，因此需给隔离膜赋予电解液的属性；给负极集流体赋予金属Cu的属性。

步骤1.3、添加半电池有限元模型的边界条件：

步骤1.3.1、确定负极复合电极半电池的充放电电流密度i(A/m2)：

根据电池设计方案得到负极的容量密度q为36Ah/m²、并设定半电池以0.1C的电流进行充放电，从而确定半电池的充放电电流密度：i＝36*0.1＝3.6A/m²。

步骤1.3.2、设定锂片的电势为0V。

步骤1.4、对半电池的一维有限元几何模型进行有限元网格划分。

步骤1.5、计算负极复合电极的开路电势曲线。

根据电池设计方案中SiO与石墨的质量百分比为10％:90％，仿真得到负极复合电极的开路电势曲线如图6所示，其中，图6为SOC-OCV曲线，横坐标为电荷状态(SOC)且纵坐标为开路电压(OCV)。此外，还可根据电池设计方案的变动来调整SiO与石墨的质量百分比，得出不同质量比例的SiO/石墨复合电极的开路电势仿真曲线。

实施例2

在该实施例中，在实施例1中步骤1的基础上进一步模拟出锂离子电池的放电曲线。具体的，实施例1的复合电极作为锂离子电池的负极，正极为单一电极，其正极活性材料为811型镍钴锰酸锂，正极集流体由Al形成，负极集流体由Cu形成。模拟的步骤具体如下：

步骤2、建立五层结构的全电池的一维有限元几何模型：

使用参数化设计语言(COMSOL软件)建立全电池的一维有限元几何模型，其包含五线六点，如图4所示，五线T1、T2、T3、T4、T5分别代表具有一定厚度的正极集流体、正极、隔离膜、负极和负极集流体，线条T1、T2、T3、T4、T5各自的长度L1、T2、T3、T4、T5分别代表相应组件的厚度，厚度值均来源于电池设计方案。负极、隔离膜的厚度与步骤1.1中负极、隔离膜相同。需要特别说明的是，本模型中正、负极集流体的厚度分别为电池设计方案中正、负极集流体厚度的一半；六点b₁、b₂、b₃、b₄、b₅、b₆、分别代表正极集流体的第一末端、正极集流体与正极的第一界面、正极与隔离膜第二界面、隔离膜与负极的第三界面、负极与负极集流体的第四界面、负极集流体的第二末端。

步骤3.1、给全电池的一维有限元几何模型赋予材料属性：

步骤3.1.1、给步骤2中的正极集流体、隔离膜、负极集流体分别赋予Al、电解液、Cu的材料属性；

步骤3.1.2、给正极、负极分别赋予材料属性：

根据步骤1计算获得SiO与石墨的质量百分比为10％:90％的复合电极的开路电势曲线并赋予负极，而负极的其它材料属性可通过加权法计算得到，例如：负极平均粒径＝SiO的平均粒径*SiO的质量百分比(10％)+石墨的平均粒径*石墨的质量百分比(90％)；给正极赋予811型镍钴锰酸锂的开路电势曲线及其它材料属性；

步骤3.1.3、正极、负极的孔隙中充满电解液，因此还需要给正极、负极赋予电解液的属性。

步骤3.2、添加全电池有限元模型的边界条件：

步骤3.2.1、确定全电池的放电电流密度I(A/m²)：

根据电池设计方案得到全电池的容量密度Q为32.7Ah/m²、并设定全电池以nC(n＝0.3、1、2、3)的电流进行放电，根据全电池的放电电流密度I＝Q*n，计算得到全电池分别以0.3C、1C、2C、3C的电流进行放电的电流密度分别为9.81、32.7、65.4、98.1A/m²；

步骤3.2.2、设定负极集流体的第二末端的电势为0V。

步骤4、对全电池的一维有限元几何模型进行有限元网格划分。

步骤5、计算全电池的nC放电曲线，计算结果如图7所示。

步骤6、检验仿真结果准确性：

步骤6.1、根据电池设计方案得到全电池的容量Q_cell为132Ah，将全电池连接充放电柜以nC(n＝0.3、1、2、3)的电流进行放电测试，电压区间为2.8-4.2V，采集得到不同放电电流下全电池电压随放电时间变化的曲线；

步骤6.2、将步骤5计算得到的全电池nC放电曲线与步骤6.1采集到的nC放电曲线进行对比，检验仿真结果准确性，如图8所示。从图8可看出，仿真结果(实线)与实测数据(虚线)的吻合度非常高。后续还可通过修改材料属性主要参数(如Bruggeman系数)进一步提高仿真结果与实测数据的吻合度。

在本发明的描述中，需要理解的是，此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种拟合复合电极的开路电势曲线的方法，其特征在于，包括：

(1)建立半电池的一维有限元几何模型，所述半电池包括所述复合电极，且所述复合电极由多种活性材料形成；

(2)定义所述半电池的材料参数和边界条件，其中，所述复合电极的材料参数包括所述多种活性材料的复合材料参数；

(3)对所述半电池的一维有限元几何模型进行有限元网格划分；

(4)获得所述半电池的开路电势曲线，作为所述复合电极的开路电势曲线；

所述半电池的一维有限元几何模型为两线三点型，其中，所述两线分别代表所述复合电极、所述半电池的隔离膜，所述三点分别代表所述半电池的集流体、所述复合电极与所述隔离膜的界面、所述半电池的测试锂电极；

所述两线各自的长度分别为所述复合电极、所述隔离膜的厚度，且所述半电池的一维有限元几何模型忽略所述集流体的厚度、所述复合电极与所述隔离膜的界面的厚度、所述测试锂电极的厚度；

所述半电池的边界条件包括所述半电池的充放电电流密度和测试锂电极的电势。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多种活性材料的复合材料参数是通过将多种所述活性材料的材料参数加权平均后获得的。

3.一种拟合全电池的放电曲线的方法，其特征在于，包括权利要求1或2所述的拟合复合电极的开路电势曲线的步骤；

进一步包括：

(5)建立全电池的一维有限元几何模型，且所述复合电极作为所述全电池的正极和负极中的至少一个；

(6)定义所述全电池的材料参数和边界条件，其中，所述全电池的材料参数包括所述复合电极的开路电势曲线；

(7)对所述全电池的一维有限元几何模型进行有限元网格划分；

(8)获得所述全电池的放电曲线；

所述全电池的一维有限元几何模型为五线六点型，其中，所述五线分别代表所述全电池的正极集流体、正极、隔离膜、负极和负极集流体，所述六点分别代表所述正极集流体的第一末端、所述正极集流体与所述正极的第一界面、所述正极与所述隔离膜的第二界面、所述隔离膜与所述负极的第三界面、所述负极与所述负极集流体的第四界面、所述负极集流体的第二末端；

所述全电池的边界条件包括所述全电池的充放电电流密度和负极集流体的第二末端的电势。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述五线各自的长度分别为所述正极集流体的厚度的一半、所述正极的厚度、所述隔离膜的厚度、所述负极的厚度、所述负极集流体的厚度的一半。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述全电池的材料参数还包括所述复合电极的材料参数。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，进一步包括：

(9)将拟合获得的所述全电池的放电曲线，与实测的所述全电池的放电曲线进行对比，确定出拟合方法的准确度。

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