固态锂离子电池电化学过程建模-正脉科工科技有限公司

　　传统的锂离子电池使用基于易燃液体溶剂的电解质，如果过热会导致它们着火。近年来，不可燃固体电解质已被研究作为改善电池设计和安全性的替代方案。然而，为工业应用优化这一技术需要更好地了解设备内部的电化学过程。为此，模拟是一个有价值的工具，有助于在不久的将来实现固态锂离子电池的使用。

　　固态锂离子电池:未来的动力

　　由于其重量轻的设计和高能量密度，锂离子电池已经成为市场上占主导地位的可充电电池。多年来，我们目睹了这些电池的使用从手机和笔记本电脑等便携式电子设备发展到电动汽车和航空航天技术的高功率应用。一路上，某些设计挑战出现了。我们在上一篇博客文章涉及这些设备的安全性，在某些情况下会过热并着火。

　　锂离子电池着火的一个例子。公共领域中的图像，通过维基共享空间。

　　A2015年美国能源部的文章讨论了消除这种有害影响的一种方法:用传导锂离子的固体电解质代替传统的含锂盐液体电解质。进行这种设计调整可以去除液体电解质中常见的易燃溶剂。没有液体电解质，电池的设计就有更大的自由度，这为推进现代电池技术以满足日益增长的需求打开了新的大门。

　　工业用固态锂离子电池的优化设计已经取得了长足的进步。例如，已经进行了几项研究来分析固体电解质的材料特性。固体电解质的主要缺点是其电导率远低于液体电解质。通过薄膜方法制造固态锂离子电池有助于解决这个问题。另一个重要步骤是更好地理解这些装置中发生的电化学过程。为了满足这一需求，Keisoku工程系统有限公司的朱莉通利用COMSOL Multiphysics软件设计并分析了一种固态锂离子电池。

　　固态锂离子电池电化学过程分析

　　在他的模拟研究中，唐骏创建了一个固态锂离子电池的2D模型。该模型的特点是负极由金属锂组成，正极由锂钴氧化物组成2)电影。对于电解质，固态磷酸锂(锂3邮局4)使用胶片。模型的横截面示意图和描述锂离子(锂+)设备内的传输如下所示。

电池模型的横截面示意图(左)和锂的示意图+在固体电解质中运输(右侧)。朱莉·唐拍摄的照片2016年波士顿会议论文。

　　注意，在固态锂离子电池中，所有的电化学反应都发生在固体电解质和固体电极之间的界面上。设计中不包括液体或多孔电极。在充电过程中，氧化反应发生在正极表面，产生的锂离子移动到负极。在放电过程中，还原反应发生在正电极表面，消耗从负电极氧化获得的锂离子。

　　考虑到锂物质的传质对电池的整体电流-电压关系有贡献，计算了电池的三次电流分布。在固体电解质中，用能斯特-普朗克方程描述了离子在电场中的扩散和迁移。在正极中，菲克定律用来描述嵌入锂原子的扩散。巴特勒-沃默动力学用于描述两个电极-电解质界面上的电极反应。固体锂(负电极)域本身不包括在计算中，因为与其他固态材料相比，金属锂具有高导电性，并且锂金属内部没有化学物质传输。

　　电荷特性

　　让我们从电池模型的充电特性开始。在这里，我们可以看到在充电步骤结束时，电解液中的锂离子浓度分别为1.2℃和3.2℃。结果表明，对于更高的充电速率，在整个固体电解液中建立了更高的锂离子浓度梯度，因此与初始均匀离子浓度存在更大的浓度偏差。

　　充电结束时电解质中的锂离子浓度。这些曲线图分别代表1.2℃和3.2℃的充电率。朱莉·唐拍摄的照片，摄于他的2016波士顿会议论文。

　　充电过程中的氧化反应导致正极材料中的锂浓度在其与固体电解质的界面附近降低。

　　充电结束时正极中的锂浓度。朱莉·唐拍摄的照片，摄于他的2016波士顿会议论文。

　　下图比较了一系列充电速率下的充电曲线——换句话说，电池电压与时间的关系。示出了在充电开始后，电池电压最初经历快速增加，直到其稳定在大约3.9 V。在这一点之后，电压的进一步增加与充电状态成比例发生，使得对于更高的充电速率，电池电压增加得更快。这些充电曲线可与实验数据进行比较，以验证仿真模型，并进一步研究电池设计与其性能的关系。