关于动力电池设计参数在不同倍率下的放电容量的敏感度仿真分析

doi:10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0681

摘要/Abstract

摘要：

本工作针对三元锂电池建立了电池电化学仿真经典的P2D模型，并通过仿真手段定量分析电池正极活性颗粒粒径、负极活性颗粒粒径、正极极片厚度、负极极片厚度、隔膜厚度对电池0.1～3 C倍率放电容量的影响，对仿真模型标定以及性能定制化开发具有重要意义。通过仿真数据可知，正极活性颗粒粒径对电压-容量曲线的影响集中在电压高于3.3 V的部分；负极活性颗粒粒径对电压-容量曲线的全电压段均有影响；正极极片厚度对电压-容量曲线的全电压段均有影响；负极极片厚度对电压-容量曲线的影响集中在电压低于3.6 V的部分；隔膜厚度对电压-容量曲线无影响。汇总分析仿真结果可知，正负极极片厚度是电池容量的正响应因素，负极粒径是电池容量的负响应因素，且均符合平方多项式关系；正极颗粒粒径和隔膜厚度对放电容量不影响。

关键词: 电池, 倍率, 仿真, 敏感度

Abstract:

This study established a classic P2D electrochemical simulation model for lithium-ion batteries. The effects of five parameters on the discharge capacity of the battery were quantitatively analyzed by simulation method, including the diameter of active particles on the cathode and anode, the thickness of the cathode and anode, and the separator thickness, which are of great significance to provide guidelines for optimizations. The simulation results showed that the diameter of active particles on the cathode could influence the tendency of capacity vs. voltage curves after the voltage is higher than 3.3 V. In contrast, the diameter of negative active particles affects the entire voltage window of the capacity vs. voltage curves. Secondly, the thickness of cathode electrode impacts the entire voltage of capacity vs. voltage curves. The thickness of the anode electrode on capacity vs. voltage curves leads to a fluctuation below the voltage of 3.6 V. According to the simulation results, only the thicknesses of cathode and anode electrodes give positive response to the battery discharge capacity. At the same time, the diameter of negative particles negatively responds to the battery discharge capacity. However, cathode particle diameter and separator thickness are insensitive to discharge capacity. Moreover, all the parameters accord with the quadratic equations.

Key words: battery, rate property, simulation, sensitivity

中图分类号:

TG 156

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图/表 15

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项目	细分参数	单位	负极	隔膜	正极
模型参数	电极厚度	μm	65	16	52
	活性材料体积分数	—	0.68	—	0.70
	电解液体积分数	—	0.275	0.45	0.215
	基体电导率	S/m	100	—	4
	颗粒半径	μm	16	—	5
	最大固相浓度	mol/m³	30997	—	48766
	初始嵌锂态	—	0.867	—	0.21
	初始固相浓度	mol/m³	26874	—	10240
电化学参数	初始液相浓度	mol/m³	—	1000	—
	电荷转移系数^[18-19]	—	0.5	—	0.5
	Bruggeman系数^[20]	—	1.5	1.5	1.5
	Li⁺迁移数^[18-19]	—	—	0.363	—

分类	因素名称	代号	波动范围
粒径	正极活性物质粒径	D_pos	2～20 μm
粒径	负极活性物质粒径	D_neg	5～30 μm
厚度	正极极片厚度	pos	44～52 μm
	负极极片厚度	neg	60～72 μm
	隔膜厚度	sep	2～22 μm
孔隙率	隔膜孔隙率	porosity_sep	30%～46%

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