锂离子电池中的扩散模型及求解.pptx

锂离子电池中的扩散模型及求解.pptx

《锂离子电池中的扩散模型及求解.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《锂离子电池中的扩散模型及求解.pptx（30页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

锂离子电池中的扩散模型及求解,报告：

王庆+党明召组员：

田书杰+何静芳+陈端阳+薛玉冬+方裕强时间：

2016年6月3日,锂离子电池的构成和工作原理,PurkayasthaR,McmeekingRM.JournalofAppliedMechanics,2012,79（3）.,锂离子的嵌入和脱出过程,锂离子电池电极片的制备,钟国彬.锂离子电池尖晶石型5V正极材料LiNi0.5Mn1.5O4的研究D.中国科学技术大学,2012.,冲压圆片,组装电池,刮刀流延,如何确定电极材料的最佳厚度？

刮刀通常有四个厚度的刀口，分别是100、200、300和400微米。

刮刀,基本线性模型的建立,两个假设：

电极材料的性质在除x方向外都是均匀的。

集流体是良电子导体，不会渗进Li+和其他离子。

锂离子扩散的驱动力,电解液中的阴离子PF6-比Li+大得多，运动性相对较差，可近似认为离子运动产生的电流只由Li+贡献。

在锂离子传质过程中LiPF6盐的浓度维持不变，锂离子扩散的唯一驱动力是电解液中的电场。

单位截面积的电荷密度,平均电极离子电阻率,电场强度,电解液中锂离子的通量,J=e,单位时间、单位截面积上通过的锂离子物质的量：

法拉第常数,锂离子进入电解质的通量,忽略因建立电极双电层导致的电荷通量，单位时间、单位电极体积Li+进入电解液的通量：

双电层是电极固有的电化学属性，其建立以及改变的时间是非常快的，对于我们整体方程的影响是可以忽略的。

Butler-Volmer动力学方程,锂离子脱出电极活性粒子的通量（摩尔每单位时间单位粒子表面积）,阳（阴）极转移系数,表面过电位,交换电荷密度,C：

电解质中Li+浓度Cs：

活性粒子表面浓度,s：

活性粒子表面电位e：

粒子表面附近电解液的电位U：

开路电压,B-V方程线性化,一个简化方程的重要假设：

假设电极总是趋于平衡状态。

=1+1!

+22!

+33!

+,泰勒展开：

当x趋于0时：

=1+x,每单位体积电极材料接触电解质的单位粒子表面积,二阶偏微分方程,上下标i表示正负极，i=n表示负极，i=p表示正极。

方程的进一步处理,考虑到电池本身是一个电流回路，总电流密度是I，而i是电解液通路中的电流密度，则电子导电通路中的电流密度是：

活性储电粒子表面的电场是：

平均电极电子电阻率,电极活性粒子表面电位,三阶偏微分方程,求微分,正极电解液电位ep,电极厚度：

wp,边界条件：

隔膜和电极界面上x=0的电流全是离子的，集流体上x=wp的电流完全是电子的。

正极粒子以及电解液相关参数,电解液通路中的电荷密度：

活性粒子中脱出锂离子的通量：

正极活性粒子的电位sp,正极的开路电压OCP,当x=wp时，即正极的集流体上的电势：

通式：

负极活性粒子的电位sn,求解过程类似正极：

通式：

当x=-wn时，即负极的集流体上的电势：

负极的开路电压OCP,锂离子电池的电势差,隔膜上输运的电荷是均匀的：

电池的电势差：

电池的开路电压,（）,隔膜的厚度,最佳电极厚度,常识都觉得电极片越薄越好，但其实有一个最佳厚度。

表达式（）取最大值，对应的厚度带即为最佳厚度。

一点总结,锂离子电池的扩散过程相当复杂，很多的数据很难甚至无法测量，因此进行一些简化处理是可以接受的。

为了使锂离子电池的电流密度和电压达到最大，可以计算出最佳的电极厚度。

制备电极片的实际过程由于干燥导致溶剂的挥发，用于浆料流延的刮刀厚度应该要稍微大一点。

锂离子在LiCoO2电极中的扩散,正极材料分类,常用正极电极材料比较,LiCoO2的结构,层状岩盐结构三方结构空间群：

O2-立方最紧密堆积锂离子和钴离子分别填充层状八面体空隙,电极反应：

正极,负极,锂离子在LiCoO2中的扩散,基本假设：

电极多孔，球型颗粒；锂离子脱离固体表面受跃迁电位控制，假定表面锂离子全部能够跃迁，即表面锂离子浓度为0；锂离子在固态中扩散速率远低于液相电解质中扩散速率，固态中扩散为控速过程；锂离子可以在电极内任意部位发生反应且电解液充分浸润电极。

表面浓度为0,内部浓度为,推导过程,Fick第二定律：

初始条件：

边界条件：

参数：

c电极中锂离子浓度r颗粒中某点到球心距离r0颗粒半径D锂离子扩散系数扩散发生后扩散边界延伸到球心时间,推导过程,求解方程：

电极表面锂离子浓度梯度：

电极表面锂离子浓度梯度：

推导过程,改写关系式：

其中A和B的表达式：

求解扩散系数D：

模型优缺点,优点：

可近似模拟锂离子在电极中的扩散；方便研究电极结构对锂离子扩散的影响；可以测定不同x的Li1-xCoO2结构中锂离子扩散系数的差别。

缺点：

模型测得的扩散系数包括了锂离子在电极表面和电极内部的扩散，不能直观的表现锂离子在电极内部扩散；模型假设中电极表面锂离子浓度为0；模型假设是在液态电解质中，实际电极工作在固体电解质中；球型颗粒处理；扩散系数计算中r0的确定。

谢谢大家,ThanksforAttention,