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计及电极结构异质性的锂离子电池高保真电化学模型
Published in 2024
对锂离子电池进行准确建模有利于更好的进行电池设计和电池管理。目前对电池电化学模型的建立主要是基于传统的P2D理论，将活性颗粒假设为均匀分布的球形，使用bruggman关系式近似计算固液相的有效传输参数并忽略了粒径和孔隙率在电极内的异质性分布。在小倍率充放电条件下由于锂离子浓度梯度较小，所以均质化模型可以准确表达电池的内外特性；然而在大倍率条件下，厚度方向上复杂异质性的孔隙限制了锂离子的传输，特别是对于厚电极。此时均质化模型往往低估了电池极化，导致仿真与实验结果误差大，模型不准确。为了充分考虑电极结构的异质性，本研究在传统P2D模型的理论框架下，将电极厚度方向分为多层，每一层电极的孔隙率、粒径及有效传输参数均基于电极真实三维微结构获得。除了分析电极三维图像以外，该模型的几何定义部分、网格划分部分、偏微分方程定义部分及求解部分均基于COMSOL的电池模块完成。结果表明，经过电极三维图像修正的模型在0.2C放电工况下与传统P2D模型精度相当，但在1C工况下可提升74.9%，实现在同一套电化学参数下准确模拟小倍率和大倍率工况。而且，由于该模型只是在P2D理论框架下进行了修正，所以计算量不会明显提升，具有较大的应用潜力。
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