CN116050106A - 一种厚电极通孔设计的仿真方法及系统 - Google Patents
一种厚电极通孔设计的仿真方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本申请涉及动力电池技术领域,特别是涉及一种厚电极通孔设计的仿真方法及系统。包括:建立二维厚电极通孔模型,根据二维厚电极通孔模型设定多个电极区域和评价指标;设定电极区域的材料属性和二维厚电极通孔模型边界条件;生成对比模型,获取二维厚电极通孔模型的运行评价值,根据对比模型的运行评价值和二维厚电极通孔模型的运行评价值生成二维厚电极通孔模型的性能评价结果。基于电极长度方向等比例缩放方式,提升模型收敛性,并采用单个极片单元作为研究对象研究通孔数量,通孔大小,通孔排布,优化厚电极通孔设计,缩短研发周期,降低研发成本。
Description
技术领域
本申请涉及动力电池技术领域,特别是涉及一种厚电极通孔设计的仿真方法及系统。
背景技术
随着电动汽车市场对高能量密度、高安全、长循环动力电池的迫切需求,开发高能量密度的动力电池已经成为行业内主流研究方向之一,目前提高电池能量密度的主要方式有三种:1.高比容量正负极材料开发2.高性能辅材开发3.厚电极开发。提高电极密面密度(电极厚度)是最为简单有效的方式,然而电极厚度的增加,使得液相扩散路径发生变化,在扩散系数不变的情况下,锂离子通过电解液运输到电极内的时间增加,导致离子传输距离和电阻的增加。由于电化学反应发生在离子与电子相遇的活性物质界面上,厚电极内部连续的孔结构和长程的导电网络是高性能厚电极设计的关键。为了降低厚电极内部传质阻力,厚电极通孔设计应运而生。
而仿真作为加快产品研发进程的手段,已逐渐受到行业内的重视。而传统的方法需要采用实验的方式,通过实验数据对比来优化设计,实验成本比较高,现阶段的通孔设计的工艺技术尚未成熟,在研发过程中需利用实验方法进行辅助研发,而传统方法通过实验方式,需要大量的试错,研发周期较长,实验难度较大。
发明内容
本申请的目的是:为解决上述技术问题,本申请提供了一种厚电极通孔设计的仿真方法,旨在缩短研发周期,降低研发成本。
本申请的一些实施例中,通过设置二维厚电极通孔模型,采用单个极片单元作为研究对象,研究通孔数量、通孔大小、通孔排布,优化厚电极通孔设计,并通过采用二维模型,并缩短电极长度,模型收敛性较好。并缩短研发周期,降低研发成本。
本申请的一些实施例中,提供了一种厚电极通孔设计的仿真方法,包括:
建立二维厚电极通孔模型,根据所述二维厚电极通孔模型设定多个电极区域和评价指标;
设定所述电极区域的材料属性和所述二维厚电极通孔模型边界条件;
生成对比模型,获取所述二维厚电极通孔模型的运行评价值,根据所述对比模型的运行评价值和所述二维厚电极通孔模型的运行评价值生成所述二维厚电极通孔模型的性能评价结果。
本申请的一些实施例中,在根据所述二维厚电极通孔模型设定多个检测区时,包括:
获取测试极片,根据所述测试极片单元厚度方向设置第一电极区域至第五电极区域,且所述第一电极区域至第五电极区域由所述极片单元厚度方向从下至上依次排列设置;其中,
所述第一电极区域为正极集流体,第二电极区域为正极多孔电极,第三电极区域为隔膜,第四电极区域为负极多孔电极,第五电极区域为负极集流体。
本申请的一些实施例中,获取测试极片时,包括:
选取单个极片单元,截取所述极片单元长度方向第一预设长度,所述极片单元厚度方向全部长度,得到测试极片;
所述测试极片设定多个极片内部通孔。
本申请的一些实施例中,所述测试极片设定多个极片内部通孔时,包括:
所述极片内部通孔设置为正负极各4个;
和/或,所述极片内部通孔直径设定为10um。
本申请的一些实施例中,所述设定所述电极区域的材料属性时,包括:
所述第一电极区域设定为Al的属性;
和/或,所述第二电极区域设定为NCM811材料属性,,并导入开路电压曲线;
和/或,所述第三电极区域设定为电解液属性;
和/或,所述第四电极区域设定为石墨属性,并导入石墨开路电压曲线
和/或,所述第五电极区域设定为Cu属性;
和/或,所述极片内部通孔设定为电解液属性。
本申请的一些实施例中,所述二维厚电极通孔模型边界条件时,包括:
设定正极集流体充放电电流;
设定负极集流体接地,负极电势为0;
设定电池的初始容量Q及初始电压V;
其中,所述设定正极集流体充放电电流时,包括;
根据所述第一预设长度生成长度比例系数a,获取单个完整极片容量为Q1,设定充放电倍率n,所述正极集流体充放电电流为I=n*a*Q1。
本申请的一些实施例中,所述二维厚电极通孔模型设定评价指标时,包括:
分别设定固相锂离子浓度评价指标,液相锂离子浓度评价指标、固相电势评价指标和液相电势评价指标。
设定控制模型,根据所述控制模型描述所述评价指标;
所述控制模型包括:
固相电荷守恒控制模型:
液相电荷守恒控制模型:
固相物质守恒控制模型:
其中,Cs为固相锂离子浓度,r为颗粒离子半径,Ds为固相扩散系数;
液相物质守恒控制模型:
其中,εe为液相体积分数,De,为液相有效扩散,ce为电解液浓度;
界面反应动力学控制模型:
j=ai-----(9)
η=φs-φe-U-iRSEI-----(8)
其中,i0为交换电流密度,i为局部电流密度,k为反应速率常数,cs,max为最大锂离子浓度,cs,surf为颗粒表面锂离子浓度,αa为阳极传递系数,αc为阴极传递系数,η为过电势,φs为固相电势,φe为液相电势,U为平衡电势,RSEI为膜阻,j为锂离子体电流密度,a为活性比表面积。
本申请的一些实施例中,所述生成对比模型时,包括:
根据所述二维厚电极通孔模型的极片容量设定所述对比模型的极片容量。
本申请的一些实施例中,所述二维厚电极通孔模型的运行评价值时,包括:
获取所述二维厚电极通孔模型和所述对比模型的负极电势分布数据;
获取所述二维厚电极通孔模型和所述对比模型的全电池电压变化数据;
获取所述二维厚电极通孔模型和所述对比模型负极表面电位变化数据。
本申请的一些实施例中,提供了一种厚电极通孔设计的仿真系统,其特征在于,包括:
中控模块,用于设定电极样片的设计参数,并根据所述电极样片设定电极区域,建立二维厚电极通孔模型并采集仿真数据;
属性控制模块,用于设定所述二维厚电极通孔模型各个电极区域的材料属性;
参数控制模块,用于设定所述二维厚电极通孔模型边界条件;
性能评价模块,用于设定评价指标,所述性能评价单元还用于设定控制模型,所述控制模型用于描述所述评价指标。
本申请实施例一种厚电极通孔设计的仿真方法及系统与现有技术相比,其有益效果在于:
基于电极长度方向等比例缩放方式,提升模型收敛性,并采用单个极片单元作为研究对象研究通孔数量,通孔大小,通孔排布,优化厚电极通孔设计,缩短研发周期,降低研发成本。
附图说明
图1是本申请实施例一种厚电极通孔设计的仿真方法的流程示意图;
图2是本申请实施例优选实施例中电极区域示意图;
图3是本申请实施例优选实施例中对比模型电极区域示意图;
图4是本申请实施例优选实施例中二维厚电极通孔模型的2C充电负极电势分布图;
图5是本申请实施例优选实施例中对比模型的2C充电负极电势分布图;
图6是本申请实施例优选实施例中二维厚电极通孔模型和对比模型的2C充电全电池电压对比图;
图7是本申请实施例优选实施例中维厚电极通孔模型和对比模型的2C充电负极表面平均电压对比图;
图8是本申请实施例优选实施例中一种厚电极通孔设计的仿真系统的示意图。
图中,100-第一电极区域;200-第二电极区域;300-第三电极区域;400-第四电极区域;500-第五电极区域;600-极片内部通孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例,对本申请的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本申请,但不用来限制本申请的范围。
在本申请的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本申请和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本申请的限制。
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一个或者更多个该特征。在本申请的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是两个或两个以上。
在本申请的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
如图1-图2所示,本申请实施例优选实施例的一种厚电极通孔设计的仿真方法,包括:
S101:建立二维厚电极通孔模型,根据二维厚电极通孔模型设定多个电极区域和评价指标;
S102:设定电极区域的材料属性和二维厚电极通孔模型边界条件;
S103:生成对比模型,获取二维厚电极通孔模型的运行评价值,根据对比模型的运行评价值和二维厚电极通孔模型的运行评价值生成二维厚电极通孔模型的性能评价结果。
具体而言,二维厚电极通孔模型设定多个电极区域时,包括:
获取测试极片,根据测试极片单元厚度方向设置第一电极区域100至第五电极区域,且第一电极区域100至第五电极区域由极片单元厚度方向从下至上依次排列设置;其中,
第一电极区域100为正极集流体,第二电极区域200为正极多孔电极,第三电极区域300为隔膜,第四电极区域400为负极多孔电极,第五电极区域500为负极集流体。
具体而言,采用COMSOL软件的map网格,对电极区域进行网格加密处理,采用扫略功能完成整体域的网格划分。
具体而言,模型采用单个极片单元作为研究对象,二维几何模型包含五部分,从下至上顺序依次为:正极集流体、正极多孔电极、隔膜、负极多孔电极、负极集流体。
本申请实施例优选实施例中,获取测试极片时,包括:
选取单个极片单元,截取极片单元长度方向第一预设长度,极片单元厚度方向全部长度,得到测试极片;
测试极片设定多个极片内部通孔600;
极片内部通孔600一端设置有电极正极700,极片内部通孔600另一端设置有电极负极800。
具体而言,设定多个极片内部通孔600时,包括:
极片内部通孔600设置为正负极各4个;
和/或,极片内部通孔600直径设定为10um。
具体而言,为减少计算量并增加模型的收敛性,二维厚电极通孔模型取真实电极的一部分,极片厚度方向尺寸不变,极片长度方向取1mm,极片内部通孔600直径取10um,通孔数量正负极各4个,为降低后续网格划分难度,模型中,将通孔延伸至两侧集流体侧,将其他区域对应分割。
具体而言,对于极片内部通孔的设置,其数量和直径的设置可以进行灵活调整,包括但不限于上述实施例中指出的直径取10um,通孔数量正负极各4个。
本申请实施例优选实施例中,设定电极区域的材料属性时,包括:
第一电极区域100设定为Al的属性;
和/或,第二电极区域200设定为NCM811材料属性,并导入开路电压曲线;
和/或,第三电极区域300设定为电解液属性;
和/或,第四电极区域400设定为石墨属性,并导入石墨开路电压曲线
和/或,第五电极区域500设定为Cu属性;
和/或,极片内部通孔600设定为电解液属性。
具体而言,二维厚电极通孔模型边界条件时,包括:
设定正极集流体充放电电流;
设定负极集流体接地,负极电势为0;
设定电池的初始容量Q及初始电压V;
其中,设定正极集流体充放电电流时,包括;
根据第一预设长度生成长度比例系数a,获取单个完整极片容量为Q1,设定充放电倍率n,正极集流体充放电电流为I=n*a*Q1。
具体而言,因为电极在长度方向只取了整个电极的一部分,设单个完整极片容量为Q1,则模型中极片Q=a*Q1,a=L1/L2,其中a为长度比例系数,L1为模型极片实际长度,L2为模型中极片长度。电池的充电电流为I=n*Q,n为充放电倍率,确定充放电电流,并施加正极集流体电流边界。
本申请实施例优选实施例中,设定评价指标时,包括:
设定固相锂离子浓度评价指标,液相锂离子浓度评价指标、固相电势评价指标、液相电势评价指标。
设定控制模型,根据控制模型描述评价指标。
具体而言,模型基于多孔电极理论及浓溶液理论,采用COMSOLMultiphysics仿真软件锂电池模块实现,通过五大控制方程描述充放电过程中固相锂离子浓度,液相锂离子浓度、固相电势、液相电势等物理量的变化。
具体而言,控制模型包括:
固相电荷守恒控制模型:
具体而言,电极区域固相电势分布遵循欧姆定律
液相电荷守恒控制模型:
固相物质守恒控制模型:
其中,Cs为固相锂离子浓度,r为颗粒离子半径,Ds为固相扩散系数;
具体而言,锂离子在正负极活性物质颗粒中存在扩散过程,且固相颗粒内部锂离子的量浓度Cs分布满足Fick第二定律。
液相物质守恒控制模型:
其中,εe为液相体积分数,De,eff为液相有效扩散,ce为电解液浓度;
具体而言,正负极多孔电极和隔膜域孔隙内充满电解液,脱嵌出来的锂离子在电解液中的传质过程,采用Nernst-Plank方程定义,液相区域中的物质传输也满足物质守恒定律。
界面反应动力学控制模型:
η=φs-φe-U-iRSEI-----(8)
j=ai-----(9)
其中,i0为交换电流密度,i为局部电流密度,k为反应速率常数,cs,max为最大锂离子浓度,cs,surf为颗粒表面锂离子浓度,αa为阳极传递系数,αc为阴极传递系数,η为过电势,φs为固相电势,φe为液相电势,U为平衡电势,RSEI为膜阻,j为锂离子体电流密度,a为活性比表面积。
具体而言,固体颗粒与液相界面的电化学反应通过Bulter-Volmer方程表征。
如图3-图7所示,本申请实施例优选实施例中,生成对比模型时,包括:
根据二维厚电极通孔模型的极片容量设定对比模型的极片容量。
具体而言,对比模型为传统电极模型。
具体而言,二维厚电极通孔模型的运行评价值时,包括:
获取二维厚电极通孔模型和对比模型的负极电势分布数据;
和/或,获取二维厚电极通孔模型和对比模型的全电池电压变化数据;
和/或,获取二维厚电极通孔模型和对比模型负极表面电位变化数据。
具体而言,厚电极由于锂离子传输路径较长,充电过程负极会存在析锂的风险,通过对比在2C充电结束时的厚电极通孔模型及传统模型负极电势分布,全电池电压变化和负极表面电位变化。
具体而言,为保证仿真结果对比的合理性,对比模型与二维厚电极通孔模型的极片容量保持一致。仿真结果可以展示通孔设计全电池平均电压降低10mV左右,负极表面平均电势升高4mV左右,降低了析锂的风险。模型同样可以研究孔径大小,孔径数量,孔径分布等因素对于厚电极设计的影响,优化厚电极设计,具体可以根据实际需求而定。
如图8所示,基于上述优选实施例中的厚电极通孔设计的仿真方法的又一优选实施例,本实施例中提供了一种厚电极通孔设计的仿真系统,包括:
中控模块,用于设定电极样片的设计参数,并根据电极样片设定电极区域,建立二维厚电极通孔模型并采集仿真数据;
属性控制模块,用于设定二维厚电极通孔模型各个电极区域的材料属性;
参数控制模块,用于设定二维厚电极通孔模型边界条件;
性能评价模块,用于设定评价指标,性能评价单元还用于设定控制模型,控制模型用于描述评价指标。
具体而言,其中控模块选取单个极片单元,截取所述极片单元长度方向第一预设长度,片单元厚度方向全部长度,得到测试极片并在测试极片设定多个极片内部通孔;
具体而言,其中控模块还根据测试极片单元厚度方向设置第一电极区域至第五电极区域,且第一电极区域至第五电极区域由极片单元厚度方向从下至上依次排列设置;其中,
第一电极区域为正极集流体,第二电极区域为正极多孔电极,第三电极区域为隔膜,第四电极区域为负极多孔电极,第五电极区域为负极集流体。
具体而言,属性控制模块用于将第一电极区域设定为Al的属性;
将第二电极区域设定为NCM811材料属性,并导入开路电压曲线;
将第三电极区域设定为电解液属性;
将第四电极区域设定为石墨属性,并导入石墨开路电压曲线将第五电极区域设定为Cu属性;
将极片内部通孔设定为电解液属性。
具体而言,参数控制模块用于设定正极集流体充放电电流;
设定负极集流体接地,负极电势为0;
设定电池的初始容量Q及初始电压V;
其中,设定正极集流体充放电电流时,包括;
根据第一预设长度生成长度比例系数a,获取单个完整极片容量为Q1,设定充放电倍率n,正极集流体充放电电流为I=n*a*Q1。
具体而言,性能评价模块用于分别设定固相锂离子浓度评价指标,液相锂离子浓度评价指标、固相电势评价指标和液相电势评价指标。
具体而言,性能评价模块还用于设定控制模型,根据控制模型描述所述评价指标。
根据本申请的第一构思,通过设置二维厚电极通孔模型,采用单个极片单元作为研究对象,研究通孔数量、通孔大小、通孔排布,优化厚电极通孔设计,并通过采用二维模型,并缩短电极长度,模型收敛性较好。并缩短研发周期,降低研发成本。
以上所述仅是本申请的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本申请技术原理的前提下,还可以做出若干改进和替换,这些改进和替换也应视为本申请的保护范围。
Claims (10)
1.一种厚电极通孔设计的仿真方法,其特征在于,包括:
建立二维厚电极通孔模型,根据所述二维厚电极通孔模型设定多个电极区域和评价指标;
设定所述电极区域的材料属性和所述二维厚电极通孔模型边界条件;
生成对比模型,获取所述二维厚电极通孔模型的运行评价值,根据所述对比模型的运行评价值和所述二维厚电极通孔模型的运行评价值生成所述二维厚电极通孔模型的性能评价结果。
2.如权利要求1所述的厚电极通孔设计的仿真方法,其特征在于,在根据所述二维厚电极通孔模型设定多个检测区时,包括:
获取测试极片,根据所述测试极片单元厚度方向设置第一电极区域至第五电极区域,且所述第一电极区域至第五电极区域由所述极片单元厚度方向从下至上依次排列设置;其中,
所述第一电极区域为正极集流体,第二电极区域为正极多孔电极,第三电极区域为隔膜,第四电极区域为负极多孔电极,第五电极区域为负极集流体。
3.如权利要求2所述的厚电极通孔设计的仿真方法,其特征在于,获取测试极片时,包括:
选取单个极片单元,截取所述极片单元长度方向第一预设长度,所述极片单元厚度方向全部长度,得到测试极片;
所述测试极片设定多个极片内部通孔。
4.如权利要求3所述的厚电极通孔设计的仿真方法,其特征在于,所述测试极片设定多个极片内部通孔时,包括:
所述极片内部通孔设置为正负极各4个;
和/或,所述极片内部通孔直径设定为10um。
5.如权利要求2所述的厚电极通孔设计的仿真方法,其特征在于,所述设定所述电极区域的材料属性时,包括:
所述第一电极区域设定为Al的属性;
和/或,所述第二电极区域设定为NCM811材料属性,,并导入开路电压曲线;
和/或,所述第三电极区域设定为电解液属性;
和/或,所述第四电极区域设定为石墨属性,并导入石墨开路电压曲线
和/或,所述第五电极区域设定为Cu属性;
和/或,所述极片内部通孔设定为电解液属性。
6.如权利要求5所述的厚电极通孔设计的仿真方法,其特征在于,所述二维厚电极通孔模型边界条件时,包括:
设定正极集流体充放电电流;
设定负极集流体接地,负极电势为0;
设定电池的初始容量Q及初始电压V;
其中,所述设定正极集流体充放电电流时,包括;
根据所述第一预设长度生成长度比例系数a,获取单个完整极片容量为Q1,设定充放电倍率n,所述正极集流体充放电电流为I=n*a*Q1。
7.如权利要求1所述的厚电极通孔设计的仿真方法,其特征在于,所述二维厚电极通孔模型设定评价指标时,包括:
分别设定固相锂离子浓度评价指标,液相锂离子浓度评价指标、固相电势评价指标和液相电势评价指标;
设定控制模型,根据所述控制模型描述所述评价指标;
所述控制模型包括:
固相电荷守恒控制模型;
其中,is为固相电流,σeff为固相有效电导,φs为固相电势,j为锂离子体电流密度;
液相电荷守恒控制模型:
固相物质守恒控制模型:
其中,Cs为固相锂离子浓度,r为颗粒离子半径,Ds为固相扩散系数;
液相物质守恒控制模型:
其中,εe为液相体积分数,De,eff为液相有效扩散,ce为电解液浓度;
界面反应动力学控制模型:
η=φs-φe-U-iRSEI-----(8)
j=ai-----(9)
其中,i0为交换电流密度,i为局部电流密度,k为反应速率常数,cs,max为最大锂离子浓度,cs,surf为颗粒表面锂离子浓度,αa为阳极传递系数,αc为阴极传递系数,η为过电势,φs为固相电势,φe为液相电势,U为平衡电势,RSEI为膜阻,j为锂离子体电流密度,a为活性比表面积。
8.如权利要求1所述的厚电极通孔设计的仿真方法,其特征在于,所述生成对比模型时,包括:
根据所述二维厚电极通孔模型的极片容量设定所述对比模型的极片容量。
9.如权利要求8所述的厚电极通孔设计的仿真方法,其特征在于,所述二维厚电极通孔模型的运行评价值时,包括:
获取所述二维厚电极通孔模型和所述对比模型的负极电势分布数据;
和/或,获取所述二维厚电极通孔模型和所述对比模型的全电池电压变化数据;
和/或,获取所述二维厚电极通孔模型和所述对比模型负极表面电位变化数据。
10.一种厚电极通孔设计的仿真系统,其特征在于,包括:
中控模块,用于设定电极样片的设计参数,并根据所述电极样片设定电极区域,建立二维厚电极通孔模型并采集仿真数据;
属性控制模块,用于设定所述二维厚电极通孔模型各个电极区域的材料属性;
参数控制模块,用于设定所述二维厚电极通孔模型边界条件;
性能评价模块,用于设定评价指标,所述性能评价单元还用于设定控制模型,所述控制模型用于描述所述评价指标。
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CN202211713223.3A CN116050106B (zh) | 2022-12-26 | 一种厚电极通孔设计的仿真方法及系统 |
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CN113705022A (zh) * | 2021-09-24 | 2021-11-26 | 合肥国轩高科动力能源有限公司 | 一种锂离子电池低温充电性能的仿真方法及系统 |
CN114357813A (zh) * | 2022-03-21 | 2022-04-15 | 中北大学南通智能光机电研究院 | 一种锌离子电池枝晶生长状况的仿真方法 |
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