介绍

随着时代的高速发展，锂离子电池 (LIB) 已广泛应用于电动汽车和混合动力电动汽车。然而，为了越来越多地提高输出功率密度，有必要在电极层中设计最佳的多孔结构，因为锂离子和电子转移强烈依赖于这种异质结构。无论如何，作为高容量负极活性材料，Si 和 Sn 电极已经被开发出来。特别是，从容量、安全性和循环性能的角度来看，已经报道了各种新材料。然而，很少有研究用这些负极材料设计电极结构，因为它需要考虑充放电过程中的体积膨胀效应，并且很难。在我们之前的研究中，我们计算了电化学反应和质量传递，同时将活性材料的体积膨胀作为我们计算的参数。在本研究中，我们首先将该模拟结果与实际厚度变化和实验获得的充电曲线进行了比较。接下来，我们使用该模型比较了充电条件下的每种负极活性材料。我们使用了之前的仿真模型。 假设如下： (1) 电极层为均匀的多孔结构，因此进行了一维计算；(2) 电池内温度分布均匀；(3)活性物质的粒径小，使锂在活性物质颗粒内迅速扩散。 因此颗粒中的锂浓度分布是均匀的；(4)正极活性物质为LiCoO2，负极为石墨或硅。(5) 忽略电极层产生裂纹和剥落的影响。

应用情况

本文中主要阐述为了提高锂离子电池的电池性能，不仅材料开发，电极结构的优化设计也很重要。然而，很难检查负极活性材料的体积膨胀对内部现象的影响，因此很少有研究来了解最佳电极层的影响。在这项研究中，我们研究了在石墨和硅作为负极活性材料的情况下，活性材料的膨胀比对净充电容量和净充电倍率性能的影响。使用基于多孔电极理论的方程计算充电特性，并表达由膨胀引起的参数变化。此外，通过与实验测量的厚度变化和充电曲线的对比，验证了该仿真模型的有效性。结果，在高倍率条件下，石墨电池的电池容量高于硅电池。作为有效离子电导率参数的动态结构特性取决于多孔结构，隔膜附近减小，离子传导电阻增加。在Si的情况下，由于反应在隔膜附近明显集中，因此Si活性材料的利用率低于石墨。

图片3呈现为了确认该模拟模型的有效性，我们检查了充电性能与电极层厚度变化之间的关系。 并将该结果与仿真结果进行了比较。 我们使用电化学观察系统（ECCS B310，Lasertec Corporation，日本）观察充电条件下 LiBs 的横截面。 图 4 显示了充电性能和厚度变化的测量和实验以及计算结果的示例。 LCO 和石墨电极层分别用作阴极和阳极。 两者的厚度均为 40 µm。在此比较中，模拟是在 40 µm 的厚度下进行的。 这与图 3 不同。 在图 4 (a) 中，在任意四个点测量每个 SOC 的电池厚度变化。 在这些图中，充电曲线和厚度变化的计算和实验结果彼此几乎相同。 因此可以证实该模拟的有效性。

来源

作者：Gen Inouea , Kazuki Ikeshitab , Minami Iwabub , Yukari Sagaeb and Motoaki Kawase

机构：Department of Chemical Engineering, Kyushu University, 744 Motooka, Nishi-ku, Fukuoka, 819-0395, Japan ；Department of Chemical Engineering, Kyoto University, Kyotodaigaku Katsura, Kyoto, 615-8510, Japan

期刊：The Electrochemical Society

文章来源网站：Simulation of Lithium-Ion Battery with Effect of Volume Expansion of Active Materials