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解析:鋰離子電池的動(dòng)力學(xué)過(guò)程及其數(shù)學(xué)描述

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:1633次  |  2019年09月06日  

從電子設(shè)備的電源,到新能源電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力電源,鋰離子電池已經(jīng)深入到人類(lèi)日常生活的方方面面。本文將以另一個(gè)視角帶領(lǐng)大家深入鋰離子電池內(nèi)部,去看看在鋰離子電池正常充放電過(guò)程中,其內(nèi)部發(fā)生了什么樣的物理化學(xué)現(xiàn)象,以及如何利用數(shù)學(xué)方法對(duì)這些現(xiàn)象進(jìn)行描述。


所有的物理化學(xué)過(guò)程都是以幾何結(jié)構(gòu)為載體的,本文首先介紹了鋰離子電池的幾何結(jié)構(gòu),然后以此為基礎(chǔ)介紹了鋰離子電池的動(dòng)力學(xué)過(guò)程及其數(shù)學(xué)描述。


1.鋰離子電池的“三明治結(jié)構(gòu)


圖1鋰離子電池結(jié)構(gòu)


所有的鋰離子電池,包括不同體系(鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳鈷錳三元和磷酸鐵鋰等)和不同制造工藝(卷繞和碟片等),其內(nèi)部都是由若干基本的單元組成的,如圖1(a)紅色方框所示。


該基本單元又可以分為5個(gè)區(qū),如圖1(b)所示,從左到右依次是:正極集流體、正極極片、隔離膜、負(fù)極極片和負(fù)極集流體。其中,正、負(fù)極集流體一般分別為鋁箔和銅箔;正、負(fù)極極片是由活性材料、導(dǎo)電材料和粘接劑等混合之后均勻涂在正、負(fù)極集流體上形成的一層多孔介質(zhì),可以通過(guò)電解液;隔離膜為允許鋰離子通過(guò)但不允許電子通過(guò)的多孔介質(zhì)。


這種基本單元的結(jié)構(gòu)在外形上與三明治極為相似,因此也將該基本單元形容成“三明治結(jié)構(gòu)。該“三明治結(jié)構(gòu),也是鋰離子電池所有物理化學(xué)過(guò)程的載體,接下來(lái)將以此為基礎(chǔ)對(duì)鋰離子電池的動(dòng)力學(xué)過(guò)程(物理化學(xué)過(guò)程)進(jìn)行說(shuō)明。


2.鋰離子電池的動(dòng)力學(xué)過(guò)程



圖2鋰離子電池動(dòng)力學(xué)過(guò)程的原理圖


當(dāng)鋰離子電池接入回路(接入負(fù)載或者外部電源)中時(shí),就會(huì)出現(xiàn)一系列的物理化學(xué)變化。本節(jié)以鋰離子放電過(guò)程為例,來(lái)揭示鋰離子電池內(nèi)部的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。充電過(guò)程與放電過(guò)程的原理是一樣的,區(qū)別只是電荷運(yùn)動(dòng)的方向相反。


圖2(a)為幾種鋰離子電池及其使用過(guò)程的示意,圖2(b)為鋰離子電池動(dòng)力學(xué)過(guò)程的原理圖。為了便于建立模型,活性材料被簡(jiǎn)化成球形,負(fù)極用LixC6表示,正極用LiMOy表示。


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