锂电池电化学仿真

发布日期： 2024-11-21 阅读量： 作者： 胥口分析技术中心

案例1:Si电极电化学反应-电极膨胀过程（Comsol软件）

建模:

根据经典电池模型计算Si的充放电过程，获得活性颗粒的锂浓度分布，然后根据Si颗粒体积膨胀与SOC的曲线关系，计算某

时刻下由于嵌锂或脱锂颗粒的体积变化，体积变化进而对碳胶相施加作用力，使碳胶相也发生应变，从而获得电极应力应变分布。

计算电极膨胀时分别考虑了两种束缚条件:

(1)几何模型中电极区域四周均施加固定约束，计算Si体积变化产生的应力应变场;

(2)几何模型中锂金属表面和上下边界设定为固定边界条件，电极区域左侧设定为自由边界，计算Si颗粒体积变化时，电极厚度

的变化情况。

电化学模拟结果:

电化学模拟还可以获得电解液锂浓度分布和演变过程，锂离子和电池传导过程形成的电流密度分布，以及电极电势分布

左图：先放电后充电过程中电解液锂浓度分布右图：放电最后时刻(t=120min)电解液锂浓度分布

左图：放电最后时刻(t=120min)锂离子电流密度分布右图：放电最后时刻(t=120min)电极电势分布

电极膨胀模拟结果：

Si电极区域四周设定固定约束，电极膨胀模拟的应变和应力分布如图所示，1颗粒嵌锂100%SOC时体积膨胀约300%，模拟结果表明对于球形颗粒，颗粒直径增加了约1倍;由于S;颗粒的膨胀，整个电极受到的应力分布如图所示，碳胶相最大应力达到757MPa，应力大于200MPa的区域以红色表示，如果这些应力值超过材料的断裂强度，电极粘结剂就会发生断裂导致电极机械稳定性差而失效。