[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

说明书

本发明提供了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，属于锂离子电池技术领域。固态电池性能模型的建立方法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，通过对电池内部正极、负极及电解质内部的物质传递、电子传递以及电化学反应过程进行数理化解析，建立了固态电池电化学模型。与传统的基于电解液的锂离子电池电化学模型相比，本发明的模型重新定义了正负极内部的离子传输特征方程以及电极/电解质界面的电化学反应方程；通过联立各物化过程的特征方程，可以针对不同的电池设计实现电池行为的快速预测和内部行为演化的直观展示。基于上述模型的固态电池的性能预测方法，可以通过模型在不进行电池组装的情况下，优选电池设计方案，降低电池开发成本，提高电池开发效率。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种固态电池性能模型的建立方法及基于该模型的固态电池性能预测方法。

背景技术

锂离子电池在消费电子、动力电池及储能领域实现了广泛应用。目前，锂离子电池的制备过程复杂、生产流程较长，需要经过多步工艺才能实现对产品设计的验证。因此，建立数学模型，对锂离子电池进行快速仿真预测已成为当前锂离子电池开发必不可少的环节。然而随着新兴电池体系的兴起，对电池电化学准确性模型的要求更加突出。

目前固态电池凭借其在电池安全性、能量密度等方面的优势，已经成为了下一代电池的主要发展方向。固态电池以固体电解质代替电解液为特征，其电化学特性与传统的基于电解液的电池存在巨大差别。因此，固态电池的电化学模型与液态电池的电化学模型存在着巨大不同。目前并没有完整的关于固态电池的电化学模型报道。

现有的锂离子电池的电化学模型普遍基于多孔电极理论，模型中假定整个多孔体系是由空间互补的两个均匀的各相同性的连续介质组成的，其中一个是固体基质(即电极的基体)，另一个是渗入孔中的溶液。传统的液态锂离子电池的电极是多孔电极并且电极内部空隙被电解液填充，因此可以使用多孔电极理论对电池电化学行为进行描述。然而，由于固态电池采用的是固态电解质，电极的浸润中不存在电解液的浸润。电解质与电极仅在电极/电解质界面上存在接触，因此不能使用多孔电极理论对电池行为进行描述。

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，提供一种快速预测和直观展示的固态电池性能的预测方法，具体来说是提供一种固态电池性能模型的建立方法以及基于该模型的固态电池性能预测方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

本发明是针对新型电化学储能体系——固态电池，通过对电池内部正极、负极及电解质内部的物质传递、电子传递以及电化学反应过程进行数理化解析，建立了固态电池电化学模型。与传统的基于电解液的锂离子电池电化学模型相比，模型重新定义了正负极内部的离子传输特征方程以及电极/电解质界面的电化学反应方程。

具体来说，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：