[发明专利]一种液态金属电池仿真模型的构建方法

说明书

本发明公开了一种液态金属电池仿真模型的构建方法，液态金属电池仿真模型的仿真条件为：液态金属电池仿真模型包含电化学与物质传递物理场、流体力学物理场、流体传热物理场和电磁场；构建液态金属电池仿真模型用于表示液态金属电池放电过程。本发明首次将电化学、物质传递、流体力学、流体传热、电磁场等物理场全部耦合起来构建出比较准确全面的液态金属电池模型，通过仿真计算模拟再现出液态金属电池工作时内部的物理化学变化，从而在一定程度上克服了不能原位监测的困难，有利于深刻的认识液态金属电池的放电过程，可以为实验改进提供一定的理论指导，从而规避了实验的盲目性，也缩短了实验周期。

技术领域

本发明属于储能电池领域，更具体地，涉及一种液态金属电池仿真模型的构建方法。

背景技术

随着全球经济的发展和科技文明的进步，人们对能源的需求日益迫切，同时，能源和环境危机也成为社会亟需解决的问题。传统的化石能源，如煤，石油和天然气等在使用的过程中会严重污染环境，而且随着能源的不断消耗，这些天然的化石能源也会逐渐枯竭，所以发展和有效利用可再生新能源已成为社会关注的焦点。现阶段已经开发利用的可再生能源有太阳能、风能、水能等，这些能源具有低成本、无污染，可持续等特点，有望在将来替代传统的化石能源。但是这些新能源会随着气候环境，时间和地理条件变化，具有较明显的不稳定性，需要运用储能技术才能实现能源利用过程中的削峰填谷和能源供给的平稳持续性。

目前的储能技术主要有物理储能，化学储能，电化学储能和电能直接存储等方式。在众多的储能技术中，电池储能因其稳定安全、灵活高效等特点而极具发展前景。现阶段发展较快的电池体系主要有锂离子电池、铅酸电池、镍氢电池、钠硫电池和液流电池等，其中较为成熟的锂离子电池和铅酸电池已经实现了大规模商业化应用。然而，对于大规模的电力储能，现阶段的电池技术还不能满足长寿稳定、廉价高效的要求，所以发展新型的电池技术对于大规模的电力储能具有十分重要的意义。

液态金属电池是近几年提出的面向大规模储能的新型电池体系，该电池体系具有成本低廉、长寿高效、容量易放大等优点，有望应用于大规模电力储能。液态金属电池由密度自分层的三层液态组成：密度最小的低电负性金属作为负极，密度最大的高电负性金属作为正极和密度介于两者之间的熔盐作为电解质。在实际电池内部，液态负极金属被吸附于多孔泡沫镍中，所以负极金属的流动性可被忽略。该电池不需要隔膜，结构简单，易于批量生产，实现大规模应用。该电池不同于其它电池的显著特征是电极和电解质皆为全液态结构，同时需在300℃～700℃的高温下运行，这样的全液态结构有利于电池物质传输和电荷转移，从而减小了电池的极化。不仅如此，电池在运行过程中产生的焦耳热、反应热等可以促进电池的热对流，同时内部流场又可以和电流产生的磁场相互作用产生洛伦兹力，从而影响电池内部的流场分布。电池内部的这种电磁热流体行为既有利于物质迁移，同时又会影响电池的安全稳定性，所以研究液态金属电池的内部电磁热流体行为对该电池的大规模应用是非常有必要的。然而，液态金属电池是在较高温度的密闭惰性空间内运行的，根据现有的技术和实验平台，难以通过原位检测来研究电池内部的物理化学行为，所以基于有限元数值模拟的多场耦合仿真对我们认识和研究电池的充放电行为具有十分重要的意义。另外，液态金属电池在放电后期，在正极和熔盐界面处会出现高熔点的固相合金使界面失去流动性，并且实验发现正极和熔盐界面往往出现向上“凸起”或不平整的现象；进一步发现，电池容量越大，界面不稳定性越明显，这极大可能是较差的界面润湿性和界面处“凸起”分布的沉积电流造成的。由于原位监测的困难，通过有限元模拟的方法研究界面不稳定的形成机制将对实验的改进提供十分重要的理论依据。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种液态金属电池仿真模型的构建方法，旨在避免原位监测的困难，实现对不同电池体系、不同规模大小、不同电池结构和不同工况条件下的液态金属电池放电过程的研究，从而为改善电池性能提供理论指导。