[发明专利]一种优化电池电极厚度的方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂电池领域，尤其涉及一种优化电池电极厚度的方法。

背景技术

目前，随着锂离子电池技术的不断发展，锂离子电池应用市场不断拓宽，相应地客户对锂离子电池的规格和性能要求侧重点也越来越多样化。

采用传统实验方法进行电池新产品开发及其优化设计消耗大量人力物力，并且效率较低。采用计算机模拟手段进行电池的优化设计可以极大缩短电池设计周期。而且，目前仿真模拟已经成为研究电池内部特性指导电池设计的重要手段。电化学热耦合模型也日益成熟，如Jie Li等(J Power Source,2014,DOI:10.1016/j.jpowsour.2013.01.007)建立参数动态响应的电化学热耦合模型，可以较好地模拟不同倍率下电池放电行为。

目前计算最优值得优化算法层出不穷，但应用特点和计算效率各有千秋，其中BOBYQA法(准二维线性边界优化法)是Powell于2009年提出的一种新型数值优化算法，算法的优点是不需要求解目标函数的导数，可以方便处理“黑盒”问题。

专利CN 102170022 B公开了一种锂离子电池的设计方法，用于计算锂电池的实际性能参数，即建立相同技术条件下的第一形状锂电池与第二形状锂电池之间的性能数据模型，根据其中一种形状的电池实际性能参数预测另一种形状电池的实际性能参数是否符合要求。该专利主要应用于电池形状改变后，电池性能的预测，但不适用于同一形状的不同规格或新材料引进的电池优化设计。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种优化电池电极厚度的方法，以缩短锂离子电池设计周期、降低开发成本。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种优化电池电极厚度的方法，包括以下步骤：1)以能量密度E最大化或者功率密度P最大化作为为本方法的优化目标，其中能量密度最大化的目标函数为功率密度P最大化的目标函数为：

其中，V、M分别表示放电电压和电极质量，i为放电电流，t为放电时间；根据客户的需求，选择与之相近的电池规格作为本方法的基础电池规格，在此基础上进行电池电极厚度的优化；

2)获取基础电池规格的电极结构设计参数、电极材料的动力学参数及热物性参数；

3)建立电池电化学热耦合模型，所述电化学热耦合模型包括一个准二维电化学模型和一个三维热耦合模型；

①准二维电化学模型：用线段表示电极不同组成部分，建立一维几何模型，在一维几何模型上加载描述放电过程的微分或者偏微分方程，通过有限元思想对几何模型进行网格化后，计算描述放电过程的微分或偏微分方程，得到在一个电极厚度下放电过程中不同放电时间对应的放电电压；

所述一维几何模型包括以下内容：

A，在负极和正极上用菲克第一定律描述锂离子在固相内部传输：

边界条件方程为：

B，在正极、负极和隔膜上描述液相锂离子溶解过程：

式中t₊、F、j_lo4,i分别表示锂离子传递系数、法拉第常数和局部电流密度；

C：在正极和负极上用Butler-Volmer方程描述电化学反应

α_a,i、α_c,i、R和T分别表示阳极电迁移数、阴极电迁移数、通用气体常数和电池实际温度。其中α_a,i、α_c,i和R的值分别为0.5、0.5和8.314(J·mol^-1·K^-3)。

其中电流密度j_:,i，计算方程如下：

下标surf代表颗粒表面，表示正极固相颗粒表面锂离子浓度或者负极固相颗粒表面锂离子浓度。

过电势η_i等于固相电势减去液相电势再减去平衡电势U_i即：

其中平衡电势U_i的计算考虑了温度变化的影响，即：

T_ref表示参考温度，取值为298K，U_ref,i代表参考温度下正极开路电压U_ref,p或者参考温度下负极开路电压U_ref,n；代表正极平衡电势温度系数或者负极平衡电势温度系数

D：在负极集流体、负极、正极和正极集流体上用欧姆定律计算电子电荷守恒，即：