CN111665449A - 一种薄膜固态锂电池soc的检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种薄膜固态锂电池SOC的检测方法。所述方法包括以下步骤：将所述薄膜固态锂电池的电化学反应的多尺度现象进行分解；用模型和方程对所述电化学反应的多尺度现象进行描述；在假设环境稳定的情况下，构建描述所述薄膜固态锂电池充电状态的1维电化学模型；根据所述1维电化学模型得到所述薄膜固态锂电池中锂离子分布函数；根据所述锂离子分布函数对所述薄膜固态锂电池进行充电模拟计算，并验证模型的合理性；计算所述SOC。
Description
技术领域
本发明涉及一种薄膜固态锂电池检测方法，尤其涉及一种薄膜固态锂电池SOC的检测方法。
背景技术
薄膜固态锂电池主要由固态的基片和基片表面的固态功能薄膜层构成，功能薄膜层包括电流收集极、正极、电解质、负极和封装保护膜，厚度通常仅10μm。薄膜固态锂电池没有有机电解液，取而代之的是固体的像纸一样的薄膜电解质。
电池荷电状态(State of Charge,SOC)用来表征电池的剩余电量，一般定义为电池剩余容量Qc与电池总容量Ci的比值。针对薄膜固态锂电池的SOC，目前主要采用实验的手段进行检测。测量SOC的一般方法是精确地测量所有工作条件下流入和流出电池组的电量(库仑)和电流，以及电池组中各电池单元的电压。然后利用此数据和先前加载的与被监测电池完全相同的电池组数据，得出SOC的精确估计。这种计算需要的其他数据包括：电池温度、电池模式(测量时电池是充电还是放电)、电池年龄，以及从电池制造商那里获得的其他相关电池数据。有时候可以从制造商那里获得关于锂离子电池在不同工作条件下的性能的特性数据。
针对薄膜固态锂电池的SOC的仿真计算方法目前报道较少。本领域期望得到一种通过仿真计算薄膜固态锂电池的SOC的检测方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种仿真计算薄膜固态锂电池的SOC的检测方法。
为达到上述目的，本发明提供的一种薄膜固态锂电池SOC的检测方法包括以下步骤：
a.将所述薄膜固态锂电池的电化学反应的多尺度现象进行分解；
b.用模型和方程对所述电化学反应的多尺度现象进行描述；
c.在假设环境稳定的情况下，构建描述所述薄膜固态锂电池充电状态的 1维电化学模型；
d.根据所述1维电化学模型得到所述薄膜固态锂电池中锂离子分布函数；
e.根据所述锂离子分布函数对所述薄膜固态锂电池进行充电模拟计算，并验证模型的合理性；
f.计算所述SOC。
上述步骤a中所述电化学反应的多尺度现象的分解包括五个方面：1)微观：电解质中的锂迁移；2)微观：电化学/分子动力学；3)中观：固相锂运输；4) 宏观：储电/输电；和5)宏观：(热)储能。具体参见附图3。
上述步骤b中所述模型和方程包括：
1)质量运输：质量方程或流动方程
2)中性化学反应：Arrhenius动力学方程
k＝Ae-Ea/RT (2)
k为速率常数，R为摩尔气体常量，T为热力学温度，Ea为表观活化能， A为指前因子；
3)电化学反应：Butler-Volmer动力学方程：
4)传热：热力学方程
5)电子传输：孔隙相和多孔介质固相的电流连续性方程。
所述步骤c中，为构建描述所述薄膜固态锂电池充电状态的1维电化学模型而进行如下的假设：1)1维状态，锂离子可以穿过中观微米层结构；2) 固态电解质不存在分界层；3)薄膜电池处于绝热环境；4)电解质中不存在锂离子聚集；5)充放电循环期间没有体积/活动表面变化；6)负极和集电器没有电阻损耗。
上述步骤c中得到的模型方程边界条件为：
边界条件为：
阴极：
位置：x＝0
电势：
电势：
电极(还原极)：
位置：x＝Le
电势：
电势：
电量：
阳极：
位置：x＝Le+Lc
电势：
电量：
电模块：
电解质中的静电方程：
其中：
ρ：体积电荷密度，(C/m3)。
ε：介电常数。
电传导方程：
其中，J：电流密度(A/m2)
ρ：体积电荷密度，(C/m3)。
电化学模块：
电化学：
电化学反应：
上述步骤d中得到的锂离子分布函数为：
其中，i0＝2*3.9576*c0.5*(1-c)0.5 (11)
U(c)＝-a6*c6+a5*c5-a4*c4+a3*c3+a2*c2-a1*c+c0 (12)
F：法拉第常数(C/mol)
R：通用气体常数(J/(mol﹒K))
T：绝对温度(K)
U：开路电位
io：交换电流密度
Ф1：电极电位
Ф2：电解质电位
αa：阳极塔菲尔常数
αc：阴极塔菲尔常数
c：电极中的锂浓度。
所述锂离子的分布表征了充电状态SOC，所以充放电计算分析的关键是要计算出锂离子的分布状态。
在一个实施方式中，所述步骤e中的模拟计算是模拟U-Q充电曲线来进行，并通过所述U-Q曲线计算SOC。
本发明的技术方案通过对固态薄膜锂电池的电化学反应的多尺度现象进行分解，构建了能够描述电池充电状态的1维电化学模型，从而可以通过仿真计算进行薄膜固态锂电池的SOC的检测。该SOC检测方法简单、准确，避免了复杂的实验测试方法。
附图说明
图1描述了本实施例涉及的固态薄膜锂电池的典型结构。
图2描述了针对固态薄膜锂电池进行SOC检测的技术方案的工作流程图。
图3描述了薄膜固态锂电池中电化学现象的多尺度划分。
图4示意了薄膜固态锂电池中锂离子输运过程。
图5为薄膜锂电池的充放电示意图。
图6描述了薄膜固态锂电池的U-Q充电曲线的计算与实验对比。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。
图1描述了本实施例涉及的固态薄膜锂电池的典型结构。该固态薄膜锂电池具体包括正极、电解质、负极和电流收集极。
图2描述了针对固态薄膜锂电池进行SOC检测的技术方案的工作流程图。
该技术方案主要包括：
1).把固态薄膜锂电池的电化学反应的多尺度现象进行分解；
2).用模型和方程对电化学反应的多尺度现象进行描述；
3).在假设环境稳定的情况下，获得能够描述电池充电状态的1维电化学模型；和
4).用模型方程对电池进行充电计算，然后把计算值与实验值进行对比。
具体地，本技术方案包括如下步骤：
第一步：把固态薄膜锂电池的电化学反应的多尺度现象进行分解，具体包括以下五个方面：
1)微观：电解质中的锂迁移
2)微观：电化学/分子动力学
3)中观：固相锂运输。
4)宏观：储电/输电。
5)宏观：(热)储能。
图3描述了薄膜固态锂电池中电化学现象的多尺度划分。
第二步：用下面的模型和方程来描述上面5个方面的现象：
1)质量运输：质量方程或流动方程
2)中性化学反应：Arrhenius动力学方程
k＝Ae-Ea/RT (2)
k为速率常数，R为摩尔气体常量，T为热力学温度，Ea为表观活化能， A为指前因子；
3)电化学反应：Butler-Volmer动力学方程：
4)传热：热力学方程
5)电子传输：孔隙相和多孔介质固相的电流连续性方程。
第三步：微观尺度锂离子输运过程(参见图4)。
薄膜固态锂电池中锂离子的分布表征了充电状态SOC，所以充放电计算分析的关键是要计算出锂离子的分布状态。
第四步：构建1维电化学模型进行的简化和假设
在假设环境稳定的情况下，获得能够描述电池充电状态的1维电化学模型。图5描述了薄膜锂电池的充放电示意图。
构建1维电化学模型所进行的简化和假设包括
1)1维状态，锂离子可以穿过中观微米层结构；
2)固态电解质不存在分界层；
3)薄膜电池处于绝热环境；
4)电解质中不存在锂离子聚集；
5)充放电循环期间没有体积/活动表面变化；和
6)负极和集电器没有电阻损耗
第五步：针对薄膜锂电池的结构及充放电示意图，给出模型方程和边界条件
上述方程中的电模块：
电解质中的静电方程：
其中：
ρ：体积电荷密度，(C/m3)。
ε：介电常数。
电传导方程：
其中，J：电流密度(A/m2)
ρ：体积电荷密度，(C/m3)。
上述方程中的电化学模块：
电化学：
电化学反应：
第六步：由方程(6)、(7)、(8)和(9)求解出锂离子的分布函数：
其中，i0＝2*3.9576*c0.5*(1-c)0.5 (11)
U(c)＝-a6*c6+a5*c5-a4*c4+a3*c3+a2*c2-a1*c+c0 (12)
F：法拉第常数(C/mol)
R：通用气体常数(J/(mol﹒K))
T：绝对温度(K)
U：开路电位
io：交换电流密度
Ф1：电极电位
Ф2：电解质电位
αa：阳极塔菲尔常数
αc：阴极塔菲尔常数
c：电极中的锂浓度。
第七步：采用上述公式(10)、(11)、(12)对薄膜锂电池进行了充电模拟计算(如图6所示)
图中
表示第一组实验点，以电流0.48mA/cm2充电。
图中Δ表示第二组实验点，以电流0.35mA/cm2充电。
图中ο表示第三组实验点，以电流0.24mA/cm2充电。
图中的虚线表示计算得到的充电曲线。
从图6中可以看出计算与实验吻合得较好，证明了上述模型的有效性。
第八步：计算SOC
在U-Q充电曲线中，
其中，QC为电池剩余电量，CI为电池以恒定电流I放电时所具有的容量。所以SOC＝1表示电池为充满电的状态，而SOC＝0表示电池已处于全放电状态。
如果以已放出电量Q来表示SOC，则可以用下面的公式：
以图6中实验点1为例，根据公式(13)：
对于实验点2：
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种薄膜固态锂电池SOC的检测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
a.将所述薄膜固态锂电池的电化学反应的多尺度现象进行分解；
b.用模型和方程对所述电化学反应的多尺度现象进行描述；
c.在假设环境稳定的情况下，构建描述所述薄膜固态锂电池充电状态的1维电化学模型；
d.根据所述1维电化学模型得到所述薄膜固态锂电池中锂离子分布函数；
e.根据所述锂离子分布函数对所述薄膜固态锂电池进行充电模拟计算，并验证模型的合理性；
f.计算所述SOC。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤a中所述的对所述电化学反应的多尺度现象进行分解包括：1)微观：电解质中的锂迁移；2)微观：电化学/分子动力学；3)中观：固相锂运输；4)宏观：储电/输电；和5)宏观：(热)储能。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤b中的所述模型和方程包括：
1)质量运输：质量方程或流动方程
2)中性化学反应：Arrhenius动力学方程
k＝Ae-Ea/RT (2)
k为速率常数，R为摩尔气体常量，T为热力学温度，Ea为表观活化能，A为指前因子；
3)电化学反应：Butler-Volmer动力学方程：
4)传热：热力学方程
5)电子传输：孔隙相和多孔介质固相的电流连续性方程
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤c中，为构建描述所述薄膜固态锂电池充电状态的1维电化学模型而进行如下的假设：1)1维状态，锂离子可以穿过中观微米层结构；2)固态电解质不存在分界层；3)薄膜电池处于绝热环境；4)电解质中不存在锂离子聚集；5)充放电循环期间没有体积/活动表面变化；6)负极和集电器没有电阻损耗。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤c中构建的模型方程边界条件为：
阴极：
位置：x＝0
电势：
电势：
电极(还原极)：
位置：x＝Le
电势：
电势：
电量：
阳极：
位置：x＝Le+Lc
电势：
电量：
电模块：
电解质中的静电方程：
其中：
ρ：体积电荷密度，(C/m3)。
ε：介电常数。
电传导方程：
其中，J：电流密度(A/m2)
ρ：体积电荷密度，(C/m3)；
电化学模块：
电化学：
电化学反应：
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述锂离子分布函数为：
其中，i0＝2*3.9576*c0.5*(1-c)0.5 (11)
U(c)＝-a6*c6+a5*c5-a4*c4+a3*c3+a2*c2-a1*c+c0 (12)
F：法拉第常数(C/mol)
R：通用气体常数(J/(mol﹒K))
T：绝对温度(K)
U：开路电位
io：交换电流密度
Ф1：电极电位
Ф2：电解质电位
αa：阳极塔菲尔常数
αc：阴极塔菲尔常数
c：电极中的锂浓度。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤e是通过将计算值与实验值进行比较来验证模型的合理性。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述SOC计算通过模拟U-Q充电曲线来得到。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20200915 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |