[发明专利]基于pade近似的液态金属电池电极扩散过程的建模方法

说明书

本发明公开了一种基于pade近似的液态金属电池电极扩散过程的建模方法，属于液态金属电池应用技术领域，所述方法包括：针对液态金属电池分层结构特点设置电池1‑D简化模型，并针对其获取液态金属电池内正极材料对应的扩散系数，进而获得正极Li扩散浓度与电流密度的比值；比值描述正极动态性能；利用Pade近似的偏微分方程化简所述比值，以模拟所述液态金属电池的电极扩散过程，从而得到电极扩散过程模型。本发明利用Pade近似的偏微分方程化简描述正极动态性能的参数，以模拟所述液态金属电池的电极扩散过程，简化了电极扩散过程的同时提高了计算效率。

技术领域

本发明属于液态金属电池应用技术领域，更具体地，涉及一种基于pade近似的液态金属电池电极扩散过程的建模方法。

背景技术

液态金属电池是近年来发展起来的面向电力系统大规模储能的新型电化学储能技术，具有循环寿命长、成本低，容量大等优点。在300-700℃的工作温度下，电池正负极金属材料以及熔盐电解质均为液态，并且由于密度差异自动分层。全液态结构摒弃了传统电池的隔膜结构，也避免了传统电池因固态电极结构改变影响电池循环寿命的缺点。与此同时，液态金属电池易于放大，性能稳定，因此具有良好的大规模、长时储能应用前景。

液态金属电池电极反应过程主要为锂金属的扩散，电极扩散研究对于明晰电池反应，构建电池模型以及对其进行高效管理具有重要意义。然而，液态金属电池电极反应由偏微分方程组成，传统有限元分析方法计算量较大，难以应用于实际电池管理系统。因此亟需在保证精度的基础上化简电极扩散过程。基于锂离子电池正负极均为固态结构的特点，利用球型颗粒表征电池电极，以物质在球型颗粒中的运动来表征电池的固相扩散过程。但是由于液态金属电池的三层结构不相容的特殊性，将电极等效为球型颗粒并不适用于液态金属电池电极的建模。

针对以上问题，有必要针对液态金属电池的特殊结构，开发一种简单可行的电极扩散过程建模方法，为液态金属电池高效管理与状态估计奠定基础。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于pade近似的液态金属电池电极扩散过程的建模方法，其目的在于利用Pade近似的偏微分方程化简描述正极动态性能的参数，以模拟所述液态金属电池的电极扩散过程，简化了电极扩散过程的同时提高了计算效率，由此解决液态金属电池电极扩散过程复杂，传统有限元分析方法计算量大，难以应用于电池管理系统的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于pade近似的液态金属电池电极扩散过程的建模方法，包括：

S1：针对液态金属电池分层结构特点设置电池1-D简化模型，所述电池1-D简化模型设定：物质运动只发生在水平方向且水平方向上发生的电化学反应是均匀的；忽略负极扩散过程且负极电势视为零；反应过程中正负极电极容量不发生变化；忽略重力对物质的影响；

S2：针对所述电池1-D简化模型，获取所述液态金属电池内正极材料对应的扩散系数D_p；

S3：利用菲克第二定律和所述扩散系数描述正极扩散过程，以获得正极Li扩散浓度与电流密度的比值，所述比值用于描述正极动态性能；

S4：利用Pade近似的偏微分方程化简所述比值，以模拟所述液态金属电池的电极扩散过程，从而得到电极扩散过程模型。

在其中一个实施例中，所述S2包括：

由于所述液态金属电池的负极纯锂视为零电势，所测开路电压即为正极平衡电势；利用电池电压变化与弛豫时间的关系获取所述扩散系数。

在其中一个实施例中，所述S2包括：

利用公式计算所述扩散系数D_p；