CN114280480A - 一种基于数值模型分解锂离子电池直流内阻的方法 - Google Patents

一种基于数值模型分解锂离子电池直流内阻的方法 Download PDF

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Abstract

本公开实施例中提供了一种基于数值模型分解锂离子电池直流内阻的方法,属于电学技术领域,具体包括:将锂离子电池数值模型涉及到的控制方程和及其边界条件按照质量守恒、电荷守恒、能量守恒分类、联立和耦合;针对待分解的锂离子电池确定其对应的控制方程中与电池内阻分解关联的电化学参数,得到电化学参数对应的一体化方案;根据一体化方案将待分解的锂离子电池分成无限多个单元,根据欧姆定律将每个电池单元上所产生内阻作平均化处理,根据电池结构确定内阻来源并在该结构区间内将平均内阻进行变形处理,然后积分从而得到不同组分的内阻。通过本公开的方案,能高效精准地分解锂离子电池直流内阻,实现预测电池性能的目的。

Description

一种基于数值模型分解锂离子电池直流内阻的方法
技术领域
本公开实施例涉及电学技术领域,尤其涉及一种基于数值模型分解锂离子电池直流内阻的方法。
背景技术
目前,随着锂离子电池在新能源汽车、笔记本电脑、手机和其它可穿戴设备等领域的普及,其寿命、快充性能与安全性能越来越受到重视。而以上性能均与锂离子电池的内阻关系密切。内阻是评价锂离子电池的重要指标之一,电池内阻在电池充放电过程和储存过程中是变化着的,掌握内阻的变化规律对锂离子电池的结构设计以及新产品开发都有很好的指导作用。而现有的对于锂离子电池内阻的分析研究较少,电池尺度中电势与电流分布,热量的产生与传输,电极中复杂的传递现象,电极材料的微观结构都是内阻产生的原因。电池的内阻不是常数,在充放电过程中随时间和空间不断变化。根据电池结构的不同工作区间将内阻分解成不同组分,通过建立各内阻成分与电池状态之间的关系,实现对电池性能的预测。通过分析锂离子电池电化学工作原理,将其工作过程数值模型化,通过控制方程和边界条件研究电池内部锂离子传输行为及电池传输情况可以准确地描述内阻并将内阻分解。
可见,亟需一种能高效精准地分解锂离子电池直流内阻,实现预测电池性能的基于数值模型分解锂离子电池直流内阻的方法。
发明内容
有鉴于此,本公开实施例提供一种基于数值模型分解锂离子电池直流内阻的方法,至少部分解决现有技术中存在分解锂离子电池直流内阻、预测电池性能的效率和精准度较差的问题。
本公开实施例提供了一种基于数值模型分解锂离子电池直流内阻的方法,包括:
将锂离子电池数值模型涉及到的控制方程和及其边界条件按照质量守恒、电荷守恒、能量守恒分类、联立和耦合;
针对待分解的锂离子电池确定其对应的控制方程中与电池内阻分解关联的电化学参数,得到所述电化学参数对应的一体化方案;
根据所述一体化方案将所述待分解的锂离子电池分成无限多个单元,根据欧姆定律将每个电池单元上所产生内阻作平均化处理,根据电池结构确定内阻来源并在该结构区间内将平均内阻进行变形处理,然后积分得到不同组分的内阻。
根据本公开实施例的一种具体实现方式,所述锂离子电池数值模型为单颗粒模型、伪二维模型、三维模型中电化学模型、热模型或力模型中的任一种或几种模型的耦合;
根据本公开实施例的一种具体实现方式,所述质量守恒涉及到锂离子在正极材料颗粒的扩散过程、锂离子在负极材料颗粒中的扩散过程和锂离子在电解液相中的扩散过程。
根据本公开实施例的一种具体实现方式,所述电荷守恒涉及到正极集流体、正极材料、负极集流体、负极材料中通过的电子电流和正极电解液、隔膜电解液和负极电解液中的离子电流。
根据本公开实施例的一种具体实现方式,所述能量守恒包括热容相、热传导项和热源项。
根据本公开实施例的一种具体实现方式,所述耦合为电化学场、热场或力场中的任一项或多项组合。
根据本公开实施例的一种具体实现方式,所述待分解的锂离子电池的正极材料为钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、磷酸铁锂中的一种或几种任意比例混合;
所述待分解的锂离子电池的负极材料为石墨、钛酸锂、硅基材料、磷基材料、锡基材料、锗基材料或锌基材料中的一种或几种任意比例混合;
所述待分解的锂离子电池的隔膜材料为多孔聚合物膜、无纺布隔膜、无机复合膜中的任一种或几种;
所述待分解的锂离子电池的电解液为无机液体电解液、有机液体电解液、无机固体电解质、有机液体电解质和熔盐电解质中的任一种或几种。
根据本公开实施例的一种具体实现方式,所述电化学参数包括电池可用容量、正负极材料的初始嵌锂量、正负极材料的最大嵌锂量、正负极材料锂离子扩散系数、正负极材料的平衡电势曲线、正负极材料的熵热系数曲线、正负极及隔膜厚度、正负极活性物质体积分数、正负极及隔膜液相体积分数、正负极材料粒径、隔膜的迂曲系数、正负极材料反应速率常数、正负极材料的固相电导率、电解质的电导率、隔膜的锂离子迁移数、正负极材料的阴极传递系数或正负极材料的阳极传递系数中的任一参数或几个参数的组合。
根据本公开实施例的一种具体实现方式,所述电池结构为负极极耳、负极集流体、负极材料、隔膜、正极材料、正极集流体或正极极耳的任一种或几种。
根据本公开实施例的一种具体实现方式,所述内阻来源为正极材料表面的粘结剂绝缘膜、正极材料表面的SEI膜、正极材料结构的破坏、正极材料颗粒之间的导电剂、正极材料颗粒之间粘结剂的失效、正极材料层与铝箔之间存在的材料脱落、铝箔表面电阻、铝箔内电势分布极化、负极材料表面的导电剂、负极材料表面的SEI膜、负极材料结构的破坏、负极材料颗粒之间粘结剂的失效、负极材料层与铜箔之间存在的材料脱落、铜箔表面的铜溶解、铜箔内电势分布极化、电解液对正负极材料的浸润不完全、正负极材料孔隙率对电解液分布的影响、电解液的电导率、隔膜内电解液的分布或电解液余量中的一种或几种。
本公开实施例中的基于数值模型分解锂离子电池直流内阻的方案,包括:将锂离子电池数值模型涉及到的控制方程和及其边界条件按照质量守恒、电荷守恒、能量守恒分类、联立和耦合;针对待分解的锂离子电池确定其对应的控制方程中与电池内阻分解关联的电化学参数,得到所述电化学参数对应的一体化方案;根据所述一体化方案将所述待分解的锂离子电池分成无限多个单元,根据欧姆定律将每个电池单元上所产生内阻作平均化处理,根据电池结构确定内阻来源并在该结构区间内将平均内阻进行变形处理,然后积分从而得到不同组分的内阻。
本公开实施例的有益效果为:通过本公开的方案,分析锂离子电池数值模型控制方程和边界条件,通过获取控制方程中所涉及的关键电化学参数保证模型的精度。通过微分法将电池分成无限个区域,根据欧姆定律计算每个区域的平均极化,按照产生内阻的电化学原理的差异将平均极化变形后在电池内部不同结构区间范围内进行积分获取不同组分的内阻。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本公开实施例提供的一种基于数值模型分解锂离子电池直流内阻的方法的流程示意图;
图2为本公开实施例提供的一种直流内阻分解过程示意图;
图3为本公开实施例提供的一种伪二维模型及坐标情况示意图;
图4至图7为本公开实施例提供的一种GITT法测试石墨锂离子扩散系数示意图;
图8为本公开实施例提供的一种将电池微分成无限多个单元的结构示意图;
图9为本公开实施例提供的一种直流内阻按成分分解比例图;
图10为本公开实施例提供的一种直流内阻按电池结构分解比例图。
具体实施方式
下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然,所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例,而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是,在不冲突的情况下,以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例,本领域普通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,都属于本公开保护的范围。
需要说明的是,下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见,本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中,且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开,所属领域的技术人员应了解,本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施,且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说,可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外,可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
还需要说明的是,以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本公开的基本构想,图式中仅显示与本公开中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制,其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变,且其组件布局型态也可能更为复杂。
另外,在以下描述中,提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而,所属领域的技术人员将理解,可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
本公开实施例提供一种基于数值模型分解锂离子电池直流内阻的方法,所述方法可以应用于新能源汽车、笔记本电脑等场景的电池性能预测过程中。
参见图1,为本公开实施例提供的一种基于数值模型分解锂离子电池直流内阻的方法的流程示意图。如图1所示,所述方法主要包括以下步骤:
S101,将锂离子电池数值模型涉及到的控制方程和及其边界条件按照质量守恒、电荷守恒、能量守恒分类、联立和耦合;
可选的,所述锂离子电池数值模型为单颗粒模型、伪二维模型、三维模型中电化学模型、热模型或力模型中的任一种或几种模型的耦合;
可选的,所述质量守恒涉及到锂离子在正极材料颗粒的扩散过程、锂离子在负极材料颗粒中的扩散过程和锂离子在电解液相中的扩散过程。
可选的,所述电荷守恒涉及到正极集流体、正极材料、负极集流体、负极材料中通过的电子电流和正极电解液、隔膜电解液和负极电解液中的离子电流。
可选的,所述能量守恒包括热容相、热传导项和热源项。
可选的,所述耦合为电化学场、热场或力场中的任一项或多项组合。
例如,在将锂离子电池进行直流内阻分解过程如图2所示,可以先将锂离子电池数值模型以伪二维模型处理,模型示意图及坐标情况如图3所示,与质量守恒有关控制方程和边界条件如下:
其中锂离子在负极固相中的扩散过程遵的控制方程:
Figure BDA0003437104570000061
其中,cs为固相锂离子浓度,Ds,a为负极固相扩散系数,t为时间。
负极材料颗粒球心和球面处的边界条件:
Figure BDA0003437104570000062
Figure BDA0003437104570000063
其中,Ra为负极材料半径,ja为负极电流密度。
其中锂离子在负极液相中的扩散和迁移过程的控制方程:
Figure BDA0003437104570000064
其中,εa为负极材料孔隙率,c为广义锂离子浓度,t+为锂离子迁移数,Deff,a为负极固相有效锂离子扩散系数,αa为阳极传递系数。
隔膜两侧的边界条件:
Figure BDA0003437104570000071
Figure BDA0003437104570000072
其中,ha为负极极片厚度,Deff,s为隔膜区域液相锂离子有效扩散系数,
Figure BDA0003437104570000073
Figure BDA0003437104570000074
为隔膜-正极界面的近隔膜侧,
Figure BDA0003437104570000075
为隔膜-正极界面的近正极侧。
其中锂离子在正极固相中的扩散过程遵循的控制方程:
Figure BDA0003437104570000076
其中,Ds,c为正极固相扩散系数。
正极材料颗粒球心和球面处的边界条件:
Figure BDA0003437104570000077
Figure BDA0003437104570000078
其中,Rc为正极材料半径,jc为正极电流密度。
其中锂离子在负极液相中的扩散和迁移过程的控制方程:
Figure BDA0003437104570000079
其中,εc为正极材料孔隙率,t+为锂离子迁移数,Deff,c为正极固相有效锂离子扩散系数,αc为阴极传递系数。
正极材料两侧的边界条件:
Figure BDA00034371045700000710
其中,htot为负极极片、隔膜、正极极片总厚度。
其中锂离子在隔膜区域的扩散过程遵循的控制方程:
Figure BDA0003437104570000081
其中,εs为隔膜孔隙率。
隔膜两侧锂离子浓度的边界条件:
Figure BDA0003437104570000082
Figure BDA0003437104570000083
其中,
Figure BDA0003437104570000084
为负极-隔膜界面的近负极侧,
Figure BDA0003437104570000085
为负极-隔膜界面的近隔膜侧。
与电荷守恒有关控制方程和边界条件如下:
其中负极固相电流遵循的控制方程:
Figure BDA0003437104570000086
其中,σeff,a为负极材料有效电导率,
Figure BDA0003437104570000087
为固相电势,F为法拉第常数。
隔膜两侧的边界条件:
Figure BDA0003437104570000088
Figure BDA0003437104570000089
其中,ha为负极厚度,hs为隔膜厚度,hc为正极厚度。
其中负极液相电流遵循的控制方程:
Figure BDA00034371045700000810
其中,Keff,a为负极区域电解液有效离子电导率,
Figure BDA00034371045700000811
为液相电势,R为理想气体常数,T为开尔文温度,I为电流。
隔膜两侧的边界条件:
Figure BDA00034371045700000812
Figure BDA00034371045700000813
其中,Keff,s为隔膜区域电解液有效电导率,Keff,c为正极区域电解液有效电导率。
其中隔膜区域液相电流遵循的控制方程:
Figure BDA0003437104570000091
隔膜两侧的边界条件:
Figure BDA0003437104570000092
Figure BDA0003437104570000093
与能量守恒有关控制方程如下:
Figure BDA0003437104570000094
q=Q1+Qtab
Figure BDA0003437104570000095
Figure BDA0003437104570000096
其中,ρ为密度,cp为比热容,kx,ky,kz分别为x,y,z方向导热系数,q为产热量,Q1为电化学热,Qtab,i为极耳产热,qirrev为不可逆热,qrev为可逆热,Eeq为平衡电势,V为电压,R为总的直流内阻值,Atab为极耳横截面积,σtab,i为i组分极耳电导率,σc,i为极耳与夹具的接触电导率。
与能量守恒有关的边界条件涉及电池与环境的热交换:
Qloss=Qconv+Qrad=-h(Tamb-T)-εσ(Tamb 4-T4)
其中,Qloss为电池的热损失,Qconv为热对流散热,Qrad为热辐射散热,h为对流换热系数,T为电池温度,Tamb是外界环境温度(25℃),ε为电池热辐射率。σ为斯蒂芬-波尔茨曼常数。
根据固-液电荷守恒,电解质中的电流密度、活性物质单位面积的局部电流密度、活性粒子表面与电解质之间界面上锂离子通量通过以下方程耦合:
Figure BDA0003437104570000097
其中,jL为液相电流密度,a为活性物质粒子在电极中的比面积,jloc为局部电流密度,Jn为活性粒子表面与电解质之间界面上锂离子通量。
S102,针对待分解的锂离子电池确定其对应的控制方程中与电池内阻分解关联的电化学参数,得到所述电化学参数对应的一体化方案;
可选的,所述待分解的锂离子电池的正极材料为钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、磷酸铁锂中的一种或几种任意比例混合;
所述待分解的锂离子电池的负极材料为石墨、钛酸锂、硅基材料、磷基材料、锡基材料、锗基材料或锌基材料中的一种或几种任意比例混合;
所述待分解的锂离子电池的隔膜材料为多孔聚合物膜、无纺布隔膜、无机复合膜中的任一种或几种;
所述待分解的锂离子电池的电解液为无机液体电解液、有机液体电解液、无机固体电解质、有机液体电解质和熔盐电解质中的任一种或几种。
可选的,所述电化学参数包括电池可用容量、正负极材料的初始嵌锂量、正负极材料的最大嵌锂量、正负极材料锂离子扩散系数、正负极材料的平衡电势曲线、正负极材料的熵热系数曲线、正负极及隔膜厚度、正负极活性物质体积分数、正负极及隔膜液相体积分数、正负极材料粒径、隔膜的迂曲系数、正负极材料反应速率常数、正负极材料的固相电导率、电解质的电导率、隔膜的锂离子迁移数、正负极材料的阴极传递系数或正负极材料的阳极传递系数中的任一参数或几个参数的组合。
具体实施时,针对待分解的锂离子电池,可以先确定其对应的控制方程中与电池内阻分解关联的电化学参数,得到所述电化学参数对应的一体化方案。例如,待分解的锂离子电池为钴酸锂-石墨软包电池,对电池直内阻分解影响较大的电化学参数及获取方案如下,其他对电池直流内阻分解影响较小的电化学参数的选取可以根据实际需求由操作人员进行预设设定。
第一,电池可用容量测试及嵌锂量的确定。在25℃条件下,以1C进行恒流充电直至电池充电上限电压(4.55V);之后,以4.55V对电池进行恒压充电直至电流降至0.1C,并静置1小时,保证电池极化效应基本消退;最后以1C进行恒流放电直到达到电池放电下限(3V),同样静置1h;上述充放电过程至少循环3次以保证容量结果(记为Cmax)的准确可靠。满电时,正负极的初始嵌锂离子浓度(C0)和最大固相锂离子浓度(Cs,max),初始嵌锂量(Cs,0%/Cs,max),最大嵌锂量(Cs,100%/Cs,max)。负、正极嵌锂量分别用x和y表示。最大嵌锂量Cs,100%/Cs,max,最小嵌锂量Cs,0%/Cs,max。分别测测试扣式电池的充放电曲线和全电池的充放电曲线并进行微分处理:
Figure BDA0003437104570000111
Figure BDA0003437104570000112
Figure BDA0003437104570000113
Figure BDA0003437104570000114
其中,x0%为正极最小嵌锂量,
Figure BDA0003437104570000115
为正极充放电曲线电压-嵌锂量的微分曲线极小值,
Figure BDA0003437104570000116
为极小值对应的电池容量,Qp,theory为正极理论容量,x100%为正极最大嵌锂量,Qcharge为充电容量,y0%为负极最小嵌锂量,
Figure BDA0003437104570000117
为负极充放电曲线电压-嵌锂量的微分曲线极大值,
Figure BDA0003437104570000118
为极大值对应的电池容量,Qn,theory为负极理论容量,y100%为负极最大嵌锂量。
第二,不同倍率、不同温度下的OCV-SOC曲线。分别装配钴酸锂、石墨扣式电池。在25℃下完成以下测试:
钴酸锂扣式电池的测试:以1C进行恒流充电直至电池充电上限电压(4.55V);之后,以4.55V对电池进行恒压充电直至电流降至0.1C,并静置1小时,保证电池极化效应基本消退;最后以1C进行恒流放电直到达到电池放电下限(3V),同样静置1h;上述充放电过程至少循环3次以保证容量结果(记为Cmax)的准确可靠。然后以0.02C进行恒流充电直至电池充电上限电压(4.55V);最后以0.02C进行恒流放电直到达到电池放电下限(3V),获得钴酸锂0.02C倍率下的OCV-SOC曲线,将0.02C替换成0.05C,0.1C分别得到0.05C,0.1C倍率下的OCV-SOC曲线。
石墨扣式电池的测试:以1C进行恒流放电直至电池放电下限电压(0.01V);之后,以1C对电池进行恒流充电直至电池充电上限电压(2V),并静置1h;上述充放电过程至少循环3次以保证容量结果(记为Cmax)的准确可靠。然后以0.02C进行恒流放电直至电池放电下限电压(0.01V);最后以0.02C进行恒流充电直到达到电池充电上限(2V),获得石墨0.02C倍率下的OCV-SOC曲线,将0.02C替换成0.05C,0.1C分别得到0.05C,0.1C倍率下的OCV-SOC曲线。
第三,锂离子扩散系数的获取。分别装配石墨、钴酸锂扣式电池。在25℃下完成以下测试:石墨锂离子扩散系数D-采用恒电流间歇滴定法(GITT)对Graphite/Li进行测定。具体测试过程设置如下:(1)将电池在0.1C电流密度下循环3圈经过完全活化,充放电范围为2-0.01V;(2)0.1C恒流放电10min,静置50min;(3)若电池电压≥0.01V,则重复第二步,当电压<0.01V时,则跳转下一步;(4)0.1C恒流充电10min,再静置50min;(5)当电压≤2V,则重复第四步,否则结束测试。测试结果如图4至图7所示。E-τ1/2为极化电压对时间平方根的曲线呈现为线性关系,所以可用简化后的锂离子扩散系数公式进行计算:
Figure BDA0003437104570000121
其中,τ是电流脉冲的持续时间,600s;mB为电极材料的活性物质质量,2.248mg;
Figure BDA0003437104570000122
和MB分别为电极材料的摩尔体积和摩尔质量,分别为5.333cm3/mol,12g/mol;S为电极与电解液的表面接触面积,可用电极极片的表面积近似代替,1.5386cm2;ΔEs为脉冲引起的电压变化差值。ΔEτ为恒电流放电的电压变化差值。
钴酸锂的锂离子扩散系数D+采用恒电流间歇滴定法(GITT)对LiCoO2/Li进行测定。充放电范围为4.55-3V,其他测试过程与石墨测试过程相同。
通过计算得出锂离子在石墨中和钴酸锂中的扩散系数计算出隔膜的迁移数t+
Figure BDA0003437104570000123
其中,D+为正极锂离子扩散系数,D-为负极锂离子扩散系数。
S103,根据所述一体化方案将所述待分解的锂离子电池分成无限多个单元,根据欧姆定律将每个电池单元上所产生内阻作平均化处理,根据电池结构确定内阻来源并在该结构区间内将平均内阻进行变形处理,然后积分从而得到不同组分的内阻。
可选的,所述电池结构为负极极耳、负极集流体、负极材料、隔膜、正极材料、正极集流体或正极极耳的任一种或几种。
可选的,所述内阻来源为正极材料表面的粘结剂绝缘膜、正极材料表面的SEI膜、正极材料结构的破坏、正极材料颗粒之间的导电剂、正极材料颗粒之间粘结剂的失效、正极材料层与铝箔之间存在的材料脱落、铝箔表面电阻、铝箔内电势分布极化、负极材料表面的导电剂、负极材料表面的SEI膜、负极材料结构的破坏、负极材料颗粒之间粘结剂的失效、负极材料层与铜箔之间存在的材料脱落、铜箔表面的铜溶解、铜箔内电势分布极化、电解液对正负极材料的浸润不完全、正负极材料孔隙率对电解液分布的影响、电解液的电导率、隔膜内电解液的分布或电解液余量中的一种或几种。
具体实施时,如图8所示。根据欧姆定律将每个电池单元上所产生内阻作平均化处理:
Figure BDA0003437104570000131
其中,Rave,i为平均化内阻,japp为应用电流密度,Iloc是每个电池单元极化升高的电流,Itot是通过电池的总电流,L是电极或隔膜的厚度。
根据电池结构确定内阻来源并在该结构区间内将平均内阻变形、积分从而得到不同组分的内阻。
其中对于发生在电解质/电极界面上的极化,平均极化可以变形为:
Figure BDA0003437104570000132
其中,jtot为经过单位横截面积的总电流,jloc为经过单位横截面积的局部电流。
发生在电解液或固相物质中的极化,其平均极化可以变形为:
Figure BDA0003437104570000141
其中,
Figure BDA0003437104570000142
为局部电化学电势,jv是固相物质或电解质相中单位横截面积的局部电流。
在电池不同结构区间内积分可获得以下内阻组分。
其中电解液的扩散极化:
Figure BDA0003437104570000143
其中,cL为液相锂离子浓度,Kc为电解液电导率,jL为液相电流密度。
固相的扩散极化内阻:
Figure BDA0003437104570000144
其中,Esurf为固相颗粒表面电势,Eave为固相颗粒平均电势。
电解液的欧姆内阻:
Figure BDA0003437104570000145
其中,Keff为液相有效电导率。
固相的欧姆内阻:
Figure BDA0003437104570000146
其中,js为固相电流密度,σeff为固相有效电导率。
电化学反应活化极化内阻:
Figure BDA0003437104570000147
其中,φs为固相电势,φL为液相电势。
接触内阻为Rcontact
根据以上不同内阻成分在不同电池结构区间可以完成电池内阻的分解,分解结果如表1所示。
Figure BDA0003437104570000148
Figure BDA0003437104570000151
表1
本公开实施例中涉及的符号说明如表2所示:
Figure BDA0003437104570000161
Figure BDA0003437104570000171
Figure BDA0003437104570000181
Figure BDA0003437104570000191
Figure BDA0003437104570000201
在25℃温度下,电池以0.2C放电5s时,90%SOC状态下,电池内阻按欧姆内阻分解、扩散内阻、活化内阻、SEI膜活化内阻等成分分解如图9所示。全电池内阻按电池结构分解为正极区域内阻、隔膜区域内阻、负极区域内阻,各区域内阻所占比例如图10所示。
本实施例提供的基于数值模型分解锂离子电池直流内阻的方法,通过分析锂离子电池数值模型控制方程和边界条件,通过获取控制方程中所涉及的关键电化学参数保证模型的精度。通过微分法将电池分成无限个区域,根据欧姆定律计算每个区域的平均极化,按照产生内阻的电化学原理的差异将平均极化变形后在电池内部不同结构区间范围内进行积分获取不同组分的内阻。
以上所述,仅为本公开的具体实施方式,但本公开的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此,本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于数值模型分解锂离子电池直流内阻的方法,其特征在于,包括:
将锂离子电池数值模型涉及到的控制方程和及其边界条件按照质量守恒、电荷守恒、能量守恒分类、联立和耦合;
针对待分解的锂离子电池确定其对应的控制方程中与电池内阻分解关联的电化学参数,得到所述电化学参数对应的一体化方案;
根据所述一体化方案将所述待分解的锂离子电池分成无限多个单元,根据欧姆定律将每个电池单元上所产生内阻作平均化处理,根据电池结构确定内阻来源并在该结构区间内将平均内阻进行变形处理,然后积分得到不同组分的内阻。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述锂离子电池数值模型为单颗粒模型、伪二维模型、三维模型中电化学模型、热模型或力模型中的任一种或几种模型的耦合。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述质量守恒涉及到锂离子在正极材料颗粒的扩散过程、锂离子在负极材料颗粒中的扩散过程和锂离子在电解液相中的扩散过程。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述电荷守恒涉及到正极集流体、正极材料、负极集流体、负极材料中通过的电子电流和正极电解液、隔膜电解液和负极电解液中的离子电流。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述能量守恒包括热容相、热传导项和热源项。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述耦合为电化学场、热场或力场中的任一项或多项组合。
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述待分解的锂离子电池的正极材料为钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、磷酸铁锂中的一种或几种任意比例混合;
所述待分解的锂离子电池的负极材料为石墨、钛酸锂、硅基材料、磷基材料、锡基材料、锗基材料或锌基材料中的一种或几种任意比例混合;
所述待分解的锂离子电池的隔膜材料为多孔聚合物膜、无纺布隔膜、无机复合膜中的任一种或几种;
所述待分解的锂离子电池的电解液为无机液体电解液、有机液体电解液、无机固体电解质、有机液体电解质和熔盐电解质中的任一种或几种。
8.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述电化学参数包括电池可用容量、正负极材料的初始嵌锂量、正负极材料的最大嵌锂量、正负极材料锂离子扩散系数、正负极材料的平衡电势曲线、正负极材料的熵热系数曲线、正负极及隔膜厚度、正负极活性物质体积分数、正负极及隔膜液相体积分数、正负极材料粒径、隔膜的迂曲系数、正负极材料反应速率常数、正负极材料的固相电导率、电解质的电导率、隔膜的锂离子迁移数、正负极材料的阴极传递系数或正负极材料的阳极传递系数中的任一参数或几个参数的组合。
9.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述电池结构为负极极耳、负极集流体、负极材料、隔膜、正极材料、正极集流体或正极极耳的任一种或几种。
10.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述内阻来源为正极材料表面的粘结剂绝缘膜、正极材料表面的SEI膜、正极材料结构的破坏、正极材料颗粒之间的导电剂、正极材料颗粒之间粘结剂的失效、正极材料层与铝箔之间存在的材料脱落、铝箔表面电阻、铝箔内电势分布极化、负极材料表面的导电剂、负极材料表面的SEI膜、负极材料结构的破坏、负极材料颗粒之间粘结剂的失效、负极材料层与铜箔之间存在的材料脱落、铜箔表面的铜溶解、铜箔内电势分布极化、电解液对正负极材料的浸润不完全、正负极材料孔隙率对电解液分布的影响、电解液的电导率、隔膜内电解液的分布或电解液余量中的一种或几种。
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