[發明專利]一種鋰離子電池性能預測模型及其構建方法和應用

在審

• 申請號: 201911333597.0
• 申請日: 2019-12-23
• 公開（公告）號: CN111062137A
• 公開（公告）日: 2020-04-24
• 發明（設計）人: 王華宇;聶志華;伊許玲;孫悍駒;孫影;屈國瑩
• 申請（專利權）人: 榮盛盟固利新能源科技有限公司
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 北京八月瓜知識產權代理有限公司 11543
• 代理人: 李斌

本發明提供了一種鋰離子電池性能預測模型及其構建方法和應用。本發明的鋰離子電池性能預測模型的構建方法，包括：步驟一：對樣品進行電化學測試、熱測試和力學測試，獲得電化學參數、熱參數和力學參數；步驟二：建立電化學模型、熱模型和力學模型的耦合模型，將所述電化學參數、熱參數和力學參數賦值于所述耦合模型；步驟三：對樣品進行測試以獲得測試數據，利用所述測試數據對所述耦合模型進行校準，獲得鋰離子電池性能預測模型。該模型能夠預測鋰離子電池電芯厚度隨時間的變化以及電極內應力的分布，仿真精度高，有助于識別容易發生濫用的位置并輔助電池設計，從而節省實驗成本。

技術領域

本發明涉及鋰離子電池技術領域，尤其是涉及一種鋰離子電池性能預測模型及其構建方法和應用。

背景技術

鋰離子電池由正極、負極、隔膜、電解液組成，主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。鋰離子電池的機械老化是電池容量衰減的主要原因之一。在鋰的脫嵌過程中，活性材料發生機械變形，引起顆粒內部與顆粒之間的應力；同時，活性材料的變形引起電芯的膨脹，電芯與結構件的相互作用產生應力。上述應力可能引起活性材料破裂和隔膜穿刺，導致容量衰減加劇和內短路等安全問題。因此，預測電芯厚度變化與極片內應力對于安全設計與壽命設計至關重要。

目前，可以通過原位測量技術對電芯與結構件之間的壓力以及電芯厚度隨時間的變化進行原位測量，然而該技術存在以下局限：①無法直接測量活性材料顆粒之間或內部的應力；②無法直接說明應變與應力影響電化學性能的內部過程。此外，現有測試方法只能針對現有電芯，難以準確預測在現有電芯基礎上進行的改良對力學性能與電化學性能的影響，并且難以區分不同電極對電芯厚度變化與極片內應力變化的各自貢獻。

公開號為CN 109991301A的中國專利公開了公開了一種基于電化學-力耦合模型的鋰離子電池放電過程中電極顆粒間應力確定方法，其根據初始參數建立電極顆粒尺度的三維電化學-力耦合模型，將計算得到的電極顆粒固相鋰濃度作為初始值帶入到應力模型中，再根據電極顆粒的膨脹率為固相鋰濃度的函數計算電極顆粒所受的應力。上述模型無法準確地描述真實多孔結構對力學性能與電化學性能的影響，仿真精度較低，同時可預測的性能參數有限。

公開號為CN 107066713B的中國專利公開了一種預測鋰離子電池材料電化學性能的仿真方法，該方法通過獲取特征參數、建立物理模型和數學模型、仿真計算，最終預測電池的充放電曲線、倍率充放電、內部鋰離子濃度分布等性能。然而，該方法無法預測電池厚度變化與電極內應力。

鑒于此，特提出本發明。

發明內容

本發明提供一種鋰離子電池性能預測模型及其構建方法和應用，該模型能夠預測鋰離子電池電芯厚度隨時間的變化以及電極內應力的分布，仿真精度高，有助于識別容易發生濫用的位置并輔助電池設計，從而節省實驗成本。

本發明一方面提供一種鋰離子電池性能預測模型的構建方法，包括：

步驟一：對樣品進行電化學測試、熱測試和力學測試，獲得電化學參數、熱參數和力學參數；

步驟二：建立電化學模型、熱模型和力學模型的耦合模型，將所述電化學參數、熱參數和力學參數賦值于所述耦合模型；

步驟三：對樣品進行測試以獲得測試數據，利用所述測試數據對所述耦合模型進行校準，獲得鋰離子電池性能預測模型。

在本發明中，所述電化學模型根據固相物料守恒方程、液相物料守恒方程、固相電荷守恒方程、液相電荷守恒方程和電化學動力學方程中的多種進行構建。

特別是，本發明的電化學模型考慮了活性材料粒徑隨嵌鋰量的變化及其引起的涂層結構變化，描述了這些變化對電化學性能的影響；優選地，所述電化學模型的構建參數包括基于每一SOC(即活性材料嵌鋰量)的活性材料體積分數和/或活性材料密度。即，本發明電化學模型中的活性材料體積分數及活性材料密度是隨活性材料嵌鋰量而發生變化的。