CN111682255A - 电池的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种电池的设计方法，包括：将参照电池的正极极片、负极极片的厚度作为原始值，等比例地乘以厚度变化比例系数；依据等体积的原则，确定新的极片的面积；根据新的极片的面积、新的正极极片的厚度和预设的活性物质的载入量，确新的电池容量；根据新的正极极片的厚度和新的负极极片的厚度、新的极片的面积和新的电池容量，确定电池模型；根据电池模型，仿真电池的电性能，以确定各种倍率下的比能量密度；根据电池模型，仿真电池的热性能，热性能包括不同放电倍率下不同散热条件下，电池的最高温升和最大温差；改变厚度变化比例系数，重复上述步骤；选择其中一个厚度变化比例系数作为待设计电池对应的厚度变化比例系数。

Description

电池的设计方法
技术领域
本发明涉及电池领域，尤其涉及一种电池的设计方法。
背景技术
电池的性能包括电与热性能和电池内部结构密切相关。电池结构既包括宏观结构如外形、几何大小、极片的放置方式等，也包含了微观结构例如极片的厚度、活性材料的颗粒大小、各种材料的配置比例等。设计一款合格的电池是一项十分繁琐且艰巨的任务，即便在宏观结构已经确定的前提下，需要做大量的对比以及正交实验才能确定微观结构。这种通过实验的方法不仅费时费力，而且浪费大量资源。
电池极片的厚度对电池的性能有显著的影响。通常，电池极片越厚容量越大，但高倍率充、放电性能就会变差，同时电池内阻也增加，相同工况下放出的热量增加热性能变差，反之亦然。因此，极片的厚度的设计是一对矛盾，需要根据实际的使用情况作出取舍。而在实际过程中，设计电池的厚度通常依赖工程师的经验，或者采用实验方法确定。
发明内容
针对上述技术问题，本发明实施例提供了一种电池的设计方法。
本发明实施例提供一种电池的设计方法，包括：
S1、获取参照电池的参数，所述参照电池的参数包括正、负极极片的厚度；
S2、将所述参照电池的正极极片、负极极片的厚度作为原始值，等比例地乘以厚度变化比例系数，获得新的正极极片的厚度和新的负极极片的厚度；
S3、依据等体积的原则、所述新的正极极片的厚度和所述新的负极极片的厚度，确定新的极片的面积；
S4、根据所述新的极片的面积、所述新的正极极片的厚度和预设的活性物质的载入量，确新的电池容量；
S5、根据所述新的正极极片的厚度和所述新的负极极片的厚度、所述新的极片的面积和所述新的电池容量，确定电池模型；
S6、根据所述电池模型，仿真电池的电性能，以确定各种倍率下的比能量密度，所述电性能包括不同倍率下的充、放电曲线；
S7、根据所述电池模型，仿真电池的热性能，所述热性能包括不同放电倍率下不同散热条件下，电池的最高温升和最大温差；
S8、改变所述厚度变化比例系数，重复S2-S7；
S9：根据各厚度变化比例系数对应的新的电池容量、各种倍率下的比能量密度、电池的最高温升和最大温差以及预设的待设计电池的参数，选择其中一个厚度变化比例系数作为所述待设计电池对应的厚度变化比例系数，以确定所述待设计电池的正、负极极片的厚度，所述待设计电池的参数包括：额定容量、比能量、预设散热条件下的最高温升和最大温差。
可选地，所述厚度变化比例系数的取值范围为0.2-5。
可选地，所述依据等体积的原则、所述新的正极极片的厚度和所述新的负极极片的厚度，确定新的极片的面积，包括：
当极片的厚度改变时，极片的面积随之改变，极片的宽度不变，极片的长度改变，极片的总体积为：
V＝BL(δMa+δa+δs+δc+δMc)；
其中，B为极片宽度，L为极片长度，δMa为负极集流体的厚度，δMc为正极集流体的厚度，δa为负极厚度，δc为正极厚度，δs为隔膜厚度，当正、负极厚度为原始值的X倍时，即δ’a+δ’c＝X(δa+δc)，L’＝L(δMa+δa+δs+δc+δMc)/(δMa+Xδa+δs+Xδc+δMc)。
可选地，所述参照电池为锂电池，所述新的电池容量Qcapacity由下述公式确定：
Qcapacity＝FAeεsδcCs,max△x；
其中，Ae为电极面积＝BL，F为法拉第常数，εs为活性物质体积分数，Cs,max为电极最大嵌入锂离子浓度，δc为正极厚度，△x为锂离子浓度变化范围。
可选地，在S1之后，S2之前，所述方法还包括：
建立所述参照电池的电化学热耦合模型，基于仿真确定所述参照电池的充、放电曲线以及所述参照电池在充、放电过程中最高和最低温度变化曲线。
本发明实施例提供的技术方案中，通过选取厚度设计电池的方法，即采用仿真技术模拟不同极片厚度电池的电、热性能，根据实际需求选取合适厚度。
附图说明
图1为本发明一实施例中的电池的设计方法的方法流程示意图；
图2为本发明一实施例中的电池额定容量与相对厚度的关系；
图3为本发明一实施例中的不同正、负极厚度的电池1C放电曲线；
图4为本发明一实施例中的不同正、负极厚度的电池3C放电曲线；
图5为本发明一实施例中的X＝1.5电池3C放电结束时温度分布(h＝10Wm-2K-1)；
图6为本发明一实施例中的1C放电比能量与相对厚度的关系；
图7为本发明一实施例中的不同换热系数下最高温升与相对厚度的关系；
图8为本发明一实施例中的不同换热系数下最大温差与相对厚度的关系。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，下述实施例可以进行组合。
本发明实施例的电池的设计方法可适用于锂电池的设计，但不限于锂电池，也可以适用于其他类型的电池的设计。
另外，本发明实施例需要电池的其他微观及宏观参数一定，微观参数包括：各种材料的组成及配比、材料的属性以固体材料的颗粒大小等，宏观参数包括：电池的外观及几何尺寸，极片缠绕或叠放方式，极耳尺寸及外观，以及极耳与极柱的连接方式等。
请参见图1，本发明实施例提供的电池的设计方法可以包括如下步骤：
S1、获取参照电池的参数，参照电池的参数包括正、负极极片的厚度；
示例地，参照电池为广泛且大量使用的电池，比如圆柱形的18650电池。
进一步地，参照电池的参数还可以包括：容量、不同倍率下的充、放电曲线、开路电压等。
S2、将参照电池的正极极片、负极极片的厚度作为原始值，等比例地乘以厚度变化比例系数，获得新的正极极片的厚度和新的负极极片的厚度；
可选地，厚度变化比例系数(下文可以简称为X，也可以称作倍率)的取值范围为0.2-5；应当理解地，X的取值范围也可以设置为其他。
电池正、负极的厚度的变化实际上是通过改变X的大小来实现的，例如当X＝2时，表示正、负极的厚度为原始值的2倍。
S3、依据等体积的原则、新的正极极片的厚度和新的负极极片的厚度，确定新的极片的面积；
可选地，依据等体积的原则、新的正极极片的厚度和新的负极极片的厚度，确定新的极片的面积，包括：
当极片的厚度改变时，极片的面积随之改变，极片的宽度不变，极片的长度改变，极片的总体积为：
V＝BL(δMa+δa+δs+δc+δMc) (1)；
公式(1)中，B为极片宽度，L为极片长度，δMa为负极集流体的厚度，δMc为正极集流体的厚度，δa为负极厚度，δc为正极厚度，δs为隔膜厚度，当正、负极厚度为原始值的X倍时，即δ’a+δ’c＝X(δa+δc)，L’＝L(δMa+δa+δs+δc+δMc)/(δMa+Xδa+δs+Xδc+δMc)。
S4、根据新的极片的面积、新的正极极片的厚度和预设的活性物质的载入量，确新的电池容量；
可选地，参照电池为锂电池，新的电池容量Qcapacity由下述公式确定：
Qcapacity＝FAeεsδcCs,max△x (2)；
公式(2)中，Ae为电极面积＝BL，F为法拉第常数，εs为活性物质体积分数，Cs,max为电极最大嵌入锂离子浓度，δc为正极厚度，△x为锂离子浓度变化范围，S表示固体相。在隔膜和集流体厚度不变的情况下，并且在保证电池体积不变，增加极片厚度的同时，极片面积和锂离子电池容量相应的变化。
S5、根据新的正极极片的厚度和新的负极极片的厚度、新的极片的面积和新的电池容量，确定电池模型；
S6、根据电池模型，仿真电池的电性能，以确定各种倍率下的比能量密度，电性能包括不同倍率下的充、放电曲线；
S7、根据电池模型，仿真电池的热性能，热性能包括不同放电倍率下不同散热条件下，电池的最高温升和最大温差；
其中，散热条件通过散热系数体现，不同的散热系数对应不同的散热条件。
S8、改变厚度变化比例系数，重复S2-S7；
S9：根据各厚度变化比例系数对应的新的电池容量、各种倍率下的比能量密度、电池的最高温升和最大温差以及预设的待设计电池的参数，选择其中一个厚度变化比例系数作为待设计电池对应的厚度变化比例系数，以确定待设计电池的正、负极极片的厚度，待设计电池的参数包括：额定容量、比能量、预设散热条件下的最高温升和最大温差。
可选地，在S1之后，S2之前，所述方法还包括：建立参照电池的电化学热耦合模型，基于仿真确定参照电池的充、放电曲线以及参照电池在充、放电过程中最高和最低温度变化曲线。
本发明实施例中，仿真采用同一仿真软件，如COMSOL，或其他。
示例地，根据应用需求，需要使用18650型三元锂离子电池，并对单体电池提出以下性能指标：额定容量≥2Ah，1C放电比能量≥180wh/Kg，强制风冷情况下(换热系数h≈50Wm-2K-1)3C放电结束时最高温升≤8K，最大温差≤2K。待设计的电池的参数：额定容量＝1.78Ah，1C放电比能量＝156.4wh/Kg，正、负厚度分别为36.55μm和40μm，电极面积1020.41cm2。在不改变其他工艺参数的前提下，通过改变正、负极厚度设计新款电池使其满足要求的性能指标，具体可以包括如下步骤：
1)、将参照电池正、负极厚度作为原始值，等比例的乘以X，X取值为0.75，1，1.5，2，2.5，3，3.5。
2)、根据公式(2)，计算改变厚度后的电池容量和其他参数，其结果如表1所示，正、负极相对厚度与容量关系如图2所示。
表1正、负厚度与容量、电极面积的变化关系
X 负极(μm) 正极(μm) 极片的面积Ae(cm<sup>2</sup>) 容量(Ah)
0.75 30 27.42 1202.21 1.57
1 40 36.55 1020.41 1.78
1.5 60 54.83 783.45 2.05
2 80 73.10 635.81 2.22
2.5 100 91.38 534.99 2.33
3 120 109.65 461.77 2.41
3.5 140 127.93 348.56 2.48
3)、将改变后的电池参数包括：正、负极厚度、电极面积、容量在COMSOL软件中18650型锂离子电化学-电耦合模型中更新，仿真1C和3C放电曲线，如图3和4所示(图3中，从上至下的曲线分别为开路电压、X＝0.75、X＝1、X＝1.5、X＝2、X＝2.5、X＝3、X＝3.5；图4中，从上至下的曲线分别为X＝0.75、X＝1、X＝1.5、X＝2、X＝2.5、X＝3、X＝3.5、开路电压)，以及不同换热系数下3C放电的温度曲线，如图5所示。
4)、根据1C放电曲线，计算1C放电下的比能量，它与相对厚度的关系图为图6所示。
5)、根据温度曲线，分别取最高温升和最大温差，它们与相对厚度的关系图为图7、8所示。
6)、根据图2、5、7、8的结论结合目标要求，可以得出当X＝1.5可以满足要求，即待设计电池的正极和负极厚度分别为：54.83μm和60μm。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种电池的设计方法，其特征在于，包括：
S1、获取参照电池的参数，所述参照电池的参数包括正、负极极片的厚度；
S2、将所述参照电池的正极极片、负极极片的厚度作为原始值，等比例地乘以厚度变化比例系数，获得新的正极极片的厚度和新的负极极片的厚度；
S3、依据等体积的原则、所述新的正极极片的厚度和所述新的负极极片的厚度，确定新的极片的面积；
S4、根据所述新的极片的面积、所述新的正极极片的厚度和预设的活性物质的载入量，确新的电池容量；
S5、根据所述新的正极极片的厚度和所述新的负极极片的厚度、所述新的极片的面积和所述新的电池容量，确定电池模型；
S6、根据所述电池模型，仿真电池的电性能，以确定各种倍率下的比能量密度，所述电性能包括不同倍率下的充、放电曲线；
S7、根据所述电池模型，仿真电池的热性能，所述热性能包括不同放电倍率下不同散热条件下，电池的最高温升和最大温差；
S8、改变所述厚度变化比例系数，重复S2-S7；
S9：根据各厚度变化比例系数对应的新的电池容量、各种倍率下的比能量密度、电池的最高温升和最大温差以及预设的待设计电池的参数，选择其中一个厚度变化比例系数作为所述待设计电池对应的厚度变化比例系数，以确定所述待设计电池的正、负极极片的厚度，所述待设计电池的参数包括：额定容量、比能量、预设散热条件下的最高温升和最大温差。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述厚度变化比例系数的取值范围为0.2-5。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述依据等体积的原则、所述新的正极极片的厚度和所述新的负极极片的厚度，确定新的极片的面积，包括：
当极片的厚度改变时，极片的面积随之改变，极片的宽度不变，极片的长度改变，极片的总体积为：
V＝BL(δMa+δa+δs+δc+δMc)；
其中，B为极片宽度，L为极片长度，δMa为负极集流体的厚度，δMc为正极集流体的厚度，δa为负极厚度，δc为正极厚度，δs为隔膜厚度，当正、负极厚度为原始值的X倍时，即δ’a+δ’c＝X(δa+δc)，L’＝L(δMa+δa+δs+δc+δMc)/(δMa+Xδa+δs+Xδc+δMc)。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参照电池为锂电池，所述新的电池容量Qcapacity由下述公式确定：
Qcapacity＝FAeεsδcCs,max△x；
其中，Ae为电极面积＝BL，F为法拉第常数，εs为活性物质体积分数，Cs,max为电极最大嵌入锂离子浓度，δc为正极厚度，△x为锂离子浓度变化范围。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在S1之后，S2之前，所述方法还包括：
建立所述参照电池的电化学热耦合模型，基于仿真确定所述参照电池的充、放电曲线以及所述参照电池在充、放电过程中最高和最低温度变化曲线。
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