[发明专利]一种固态电池性能模型的建立方法及固态电池性能的预测方法

权利要求书

1.一种固态电池性能模型的建立方法，其特征在于，所述模型的建立包括：构建电荷守恒方程、构建物质守恒方程以及电化学反应动力学方程，包括如下步骤：

(1)构建电荷守恒方程

将固态电池简化成包含正、负电极的区域和电解质，且其中含有四个边界：边界1为负极与负极集流体的接触面，即x＝0；边界2为负极与电解质的接触面，即x＝L_n；边界3为正极与电解质的接触面，即x＝L_n+L_e；边界4为正极与正极集流体的接触面，即x＝L_n+L_e+L_p；

(1.1)电极区域电荷守恒

电荷在电极区域的传输符合欧姆定律，正负电极中电荷守恒方程为：

式中代表锂离子在电极中的离子导电率；代表正极的电极电势；j_loc,i代表电极体积电流密度；其中是常量，其余为变量；

负极与负极集流体的接触面的电势为0V，

正极与正极集流体的接触面的电流密度为电极极片平均电流密度，其方程为：

式中代表正极中离子电导率，I_app代表通过电极极片的平均电流密度；I_app是常量，是常量；通过此方程可以求出在边界处的电势梯度；

(1.2)电解质区域电荷守恒

有机聚合物固态电解质中的电荷传输用浓溶液理论进行表述，因电解质呈固态，电解质内部没有对流传输，电解质中的电荷传递是由锂离子通过扩散和迁移实现的，锂离子电池电解质区域的电荷守恒方程为：

其中代表电解质中有效离子电导率，为常量；代表电解质电势，为变量；R代表理想气体常数，其值为8.314472J/(mol·K)，T代表电池绝对温度，为常量；F代表法拉第常数，其值为96485.34C/mol，lnf代表电解质逸度的自然对数为常量；C_e代表电解质中锂盐浓度，为变量；lnC_e代表电解质中锂盐浓度的自然对数；t₊代表电解质的离子迁移数为常量；通过本方程可以求出在电池内部的电解质电势

其边界条件方程为：

代表在边界2处的锂离子浓度梯度；代表在边界3处的锂离子浓度梯度；

(2)构建物质守恒方程

物质守恒分为电极区域和电解质区域两种类型；

(2.1)固相电极区域物质守恒

锂离子在电极内部的传输用平板电极扩散定律进行描述：

c_1,i代表电极中的锂离子浓度，为变量；D_1,i代表离子在电极中的扩散系数，为常量；通过此方程可以求出在不同时刻电极不同位置处的锂离子浓度c_1,i

在电极远离隔膜的两端即边界1和边界4处，没有离子传输通过，其边界条件为离子浓度梯度为零：

对于负极/电解质界面、电解质/正极界面而言，其表面物质通量的表达式为：

其中S_a,i是电极的比表面积，为常量；根据此方程可以计算出电极中的锂离子浓度在电解质/正极界面处的浓度梯度；

(2.2)电解质区域物质守恒

根据浓溶液理论，恒温恒压下的物质传输驱动力是电化学势梯度，结合电中性原理，电解质区域的物质守恒关系式为：

其中D_e^eff是电解质的有效离子扩散系数，是常量；通过此方程可以计算出不同时刻电解质区域不同位置处的锂离子浓度c_e；

电解质区域两端离子浓度梯度为零，

(3)电化学反应动力学

锂离子电池是通过锂离子在电池正负极活性材料之间进行嵌脱反应实现电化学储能，采用Butler-Volmer方程来描述锂离子在活性物质中的反应过程：

其中j_loc,i为局部电流密度，j_0,i为交换电流密度，α_a,i为阳极反应传递系数，α_c,i为阴极反应传递系数，η_i为过电势；在本模型中将过电势η_i定义为电极电势与电解质电势差减去电极开路电势，其方程如下：

其中，为电解质电势；U_i为开路电势，为标准条件下的电池电极参比电势，其与电极材料的荷电状态相关；

j_0,i为交换电流密度，对于正极/电解质界面反应，其计算方程为：

其中k_pos是反应速率常数，c_max,e是电解质最大锂盐浓度，为常量；c_e,pos是正极/电解质界面电解质锂盐浓度，为变量；c_max,pos是正极最大锂离子浓度，为常量；c_pos,surface是正极/电解质界面处正极中锂离子浓度，为变量；α_a,pos是正极阳极反应传递系数；α_c,pos是正极阴极反应传递系数；根据此方程可以计算出正极/电解质界面反应速率常数；

对于负极/电解质界面反应，其计算方程为：

其中k_neg是反应速率常数，c_max,e是电解质最大锂盐浓度，c_e,neg是负极/电解质界面电解质锂盐浓度，c_max,neg是负极最大锂离子浓度，c_neg,surface是正极/电解质界面处负极锂离子浓度；α_a,neg是负极阳极反应传递系数；α_c,neg是负极阴极反应传递系数；

本模型的输出结果为电池电势方程3-5、电极电流密度方程3-1、锂离子浓度分布方程2-4特征结果，本模型中将边界4的电极电势定义为电池电势，其表达式为方程3-5：