基于电化学模型的锂电池仿真研究

异 是 其 理 想 的 储 能 元 件 。正 因 如 此 ，锂 离 子 二 次
电 池 的 性 能 也 将 严 重 影 响 用 电 设 备 的 使 用 。若 能
根据用电设备的使用情况对锂离子二次电池的重
要 参 数 在 设 计 时 进 行 优 化 ，则 必 然 对 用 电 设 备 产
生有益影响。
建立锂离子电池模型并用以研究锂离子电池
锂离子电池在结构上一般由五大部分组成， 即 正 极 、负 极 、电 解液、隔 膜 、外 壳 与 电 极 引 线 ， 其中正极、负极、 电解液、隔膜与电池的电化学 反 应 密 切 相 关 。正 极 、 负 极 、 电解液与隔膜在锂 电池内部结构如图1 所示 。正极材料和负极材料 可看做是浸泡在电解液中的球形锂化合物颗粒， 在充放电过程中锂离子可从这些球形颗粒中脱逸 和 嵌 入 。隔 膜 将 正 极 与 负 极 分 开 ，其 上孔隙组织 允 许 锂 离 子 在 其 中 穿 梭 ，从 而 实 现 离 子 导 电 的 效 果。
基于电化学模型的锂电池仿真研究
古 劲 柏 8，郑 凯 8，程 林 \ 林 今 6
大连海事大学信息科学技术学院，辽 宁 大 连 116026 I 清华大学清华大学电机工程与应用电子技术系，北 京 100084》
摘要:本文通过研究锂离子电池电化学过程和传质过程 机理，给出了锂离子电池电化学动力学系统模型，通过分 析模型结构图明确了锂离子电池系统的多回路特性。基于 该系统模型,利用数值仿真给出不同模型参数对锂离子电 池性能的影响。
关键词：锂电池；电化学模型；偏微分方程；仿真。
0 引言 锂离子二次电池以其容量大、工作电压高、
荷 电 保 持 能 力 强 、温 度 稳 定 性 好 、循 环 寿 命 长 等
优 点 ，正逐渐替代其他种类的二次电池成为工业
生 产 和 日 常 生 活 主 要 的 储 能 蓄 能 产 品 。特 别 是 对
电动 车 来 说 ，锂 离 子 二 次 电 池 安 全 性 高 、性能优
化 学 反 应 机 理 进 行 建 模 。如 文 献 此 类 模 型
一 般 由 多 个 偏 微 分 方 程 构 成 ，模 型 中 考 虑 结 构 及
材料等电池参数，具有明确的物理意义。
等效电路模型则用电路网络来等效锂电池的
外 特 性 ，其 物 理 意 义 也 较 容 易 理 解 。常 用 的 等 效
。针对上述电化学过程， 下面将给出 这些过程的一维数学描述。 1.2电池电压方程
在 建 立 锂 离 子 电 池 模 型 时 ，一 般 以 电 池 正 负 极间电势差作为电池的输出，即
其 中 ，化 表 示 电 池 的 固 态 电 极 电 势 。如 图 1 所 示 ，
6 ( 0 , 0 为正极电势，
为 负 极 电 势 。显 然 ，
电 路 模 型 有 & 101模 型 、
模 型 、？1^ ^ 模
型、
模 型 等 【5~8】。 自适应模型则利用神经网
络等具有自适应及学习能力的算法来建立锂电池
的输入输出关系，这类模型具有较高的适应性，
但 需 要 大 量 数 据 对 算 法 进 行 训 练 ，且 物 理 意 义 不
明确【4】。显 然 ，要 基 于 模 型 对 锂 电 池 本 书 进 行 分
图 1 锂电池结构 从 电 化 学 角 度 来 看 ，正 是 由 于 锂 离 子 在 正 极 、 负极 、 电解液以及隔膜区域分布不同才形成了电 势差，因此可将锂离子二次电池看做锂离子浓差 电池。充 电 时 ， 从 正 极 锂 离 子 化 合 物 颗 粒 中 脱 逸 ，经 过 电 解 质 和 隔 膜 嵌 入 到 负 极 锂 离 子 化 合 物 颗 粒 中 ，使 得 负 极 处 于 富 锂 状 态 ，正极处于贫锂 状态 ， 同时电子的补偿电荷从外电路供给到碳负
单独的正极电势和负极电势不易测量。实际使用
过 程 中 ，若 电 池 处 于 充 电 状 态 ，充 电 电 流 将 受 外
部 充 电 电 压 控 制 ，这 时 有
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⑶
反 之 ，若 电 池 处 于 放 电 状 态 ，放 电 电 流 将 受 外 部
负 载 影 响 ，这 时 有
其 中 ，/⑷ !表 示 流 过 电 池 的 电 流 ， 表 示 充 电 电阻， 表示负载电阻。 1.3固态电极电势方程
电 池 的 化 学 反 应 和 传 质 过 程 进 行 建 模 ，从而给出 锂 离 子 电 池 完 整 数 学 模 型 。在 此 基 础 上 ，给出了 锂 电 池 模 型 结 构 ，分 析 了 锂 电 池模型各状态的内 在 联 系 。基 于 电 池 系 统 模 型 ，通 过数值 仿 真 分 析 了 在 不 同 结 构 参 数 条 件 下 ，对 锂电池 放 电 性 能 的 影响。 1 锂离子电池电化学模型 1.1锂电池组成及结构
极 ，保 持 电 荷 平 衡 。放 电 时 则 相 反 ，[广从负极锂 离子化合物颗粒中脱逸，经过电解液和隔膜嵌入 到 正 极 锂 离 子 化 合 物 颗 粒 中 ，正 极 处 于 富 锂 状 态 。 在 正 常 充 放 电 情 况 下 ，锂 离 子 在 层 状 结 构 的 碳 材 料 和 层 状 结 构 氧 化 物 的 层 间 嵌 入 和 脱 逸 ，一般只 引 起 层 面 间 距 的 变 化 ，不 破 坏 其 晶 体 结 构 ，负极 材料的化学结构基本不变。因此，
析设计，必须在模型中考虑电池参数，因此虽然
电 化 学 模 型 复 杂 且 计 算 量 较 大 ，但 适 用 于 对 电 池
基金项目：国 家 自 然 科 学 基 金 教 育 部 博 士 点 基 金 20102125120001)5中央大学—本科研业务舍仍。.
进行分析、设计及优化。 本文将依据锂离子二次电池的电化学机理对
参 数 与 电 池 性 能 的 关 系 ，是 解 决 锂 离 子 电 池 设 计
与 优 化 问 题 的 重 要 途 径 。 目前，对 锂 离 子 电 池 模
源自文库
型 的 研 究 已 经 深 入 到 一 定 程 度 ，从 建 模 手 段 上 可
将已有模型分为三类，即电化学模型、等效电路
模 型 和 自 适 应 模 型 。其 中 电 化 学 模 型 根 据 电 池 电