基于机理模型的锂离子电池电化学行为及优化研究.pdf

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1、硕士学位论文基于机理模型的锂离子电池电化学行为及优化研究RESEARCHONELECTROCHEMICALPERFORMANCEANDOPTIMIZATIONOFLITHIUMIONBATTERRIESBASEDONTHEMECHANISMMODEL郑继利哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TM911学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工学硕士学位论文基于机理模型的锂离子电池电化学行为及优化研究硕士研究生：郑继利：导师：杜春雨：教授申请学位：工学：硕士学科：化学工程：与技术所在单位：化工：与化学学院答辩日期：2

2、018：年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学：ClassifiedIndex:TM911U.D.C:621.3DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONELECTROCHEMICALPERFORMANCEANDOPTIMIZATIONOFLITHIUMIONBATTERRIESBASEDONTHEMECHANISMMODELCandidate：ZhengJiliSupervisor：Prof.DuChunyuAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEn

3、gineeringSpeciality：ChemicalEngineeringandTechologyAffiliation：SchoolofChemistryandChemicalEngineeringDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要锂离子电池因其优异的性能受到了很大的关注，在电子设备、动力电池、能源储备等方面应用较为广泛。然而，锂离子电池由于复杂的构造很难通过实验手段获取电池

4、的工作状态，无法获取电池的工作性能，因此如何能确保电池最优性能以及安全运行具有重要意义。本文基于锂离子电池机理模型对电池进行了研究，从模型参数获取、电池电化学行为、电池优化等方面开展。针对钴酸锂石墨全电池，采用实验手段如恒电流间歇滴定法（PITT）获取正负电极固相扩散系数，采用辨识手段获取电极初始嵌锂量等电极内部参数，将获取的参数代入机理模型中进行仿真。结果表明仿真结果与实验结果有较好的吻合性，最大误差仅为4%，证明了模型具有较高的精度。在此基础上，仿真了不同条件下电池的工作过程，结果表明放电过程中锂离子自负极传输至正极，会导致负极电解液

5、浓度升高、正极电解液浓度下降，大倍率放电结束时电极两侧液相浓差较大；放电过程中负极固相浓度下降，正极固相浓度升高，小倍率放电结束时电极两侧固相浓差较大；颗粒粒径越小，锂离子扩散越充分，电池性能越优越。分别提出优化电池比能量和体积能量密度的方法，通过设计电池内部参数如电极厚度、电极孔隙率、正负电极容量比等提高电池的各项性能，结果表明优化之后电池性能均有上升，电池的比能量提高104Wh/kg，电池的体积能量密度提高173Wh/L；同时，电池充电过程中石墨负极存在析锂现象，这威胁到电池的充电安全，针对于此在不同的工作环境下从颗粒粒径、电极厚度等

6、参数进行了仿真分析，结果表明增大负极厚度即增大负极与正极容量比，可有效减缓负极析锂现象的发生，减小负极活性颗粒粒径同样可以达到这一目的。最后针对硅电极膨胀的特殊性，发展了锂离子电池机理模型，系统研究了放电过程中硅电极厚度、电极颗粒粒径、电极孔隙率的变化，分析了不同工作条件下各参数的变化情况，并就参数对硅电极的性能影响进行了分析，为硅电极的优化进行初步探索。关键词：锂离子电池；机理模型；参数；优化；膨胀-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractLi-ionbatterieshavebeenattractedfortheirexce

7、llentperformanceandtheyarewidelyusedinekectronicdevives,powerenergysources,energyreservesandsoon.However,it’sdifficulttoobtaintheworkingstateofthebatterythroughexperimentalmeansforitscomplexstructure,anditcan’tobtaintheperformanceofthebattery.Therefore,it’sofgreatsignific

8、ancetoensuretheoptimalandsafeoperationofthebattery.Inthispaper,thebatterywasstudiedbasedonthemec