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    方彥彥:全尺度下鋰離子動力電池仿真技術的應用發展

    發布日期:2021-07-13

    核心提示:方彥彥:全尺度下鋰離子動力電池仿真技術的應用發展
    鋰電現場圖3

    7月7日,2021中國國際鋰電產業大會(簡稱金磚鋰電論壇)在上海汽車會展中心順利召開。本屆金

    磚鋰電會議為期兩天,主題為以“新技術、新應用、新發展”為主題,采用“會議論壇+展覽展示

    +體驗營銷”三位一體的創新模式,多項重點活動同期同地舉辦,充分協同聯動,品牌效應和影響力

    大幅提升。
     
    國聯汽車動力電池研究院、國家動力電池創新中心、檢測事業部的總經理方彥彥出席論壇并發表主題

    演講——《全尺度下鋰離子動力電池仿真技術的應用發展》

    方彥彥


    以下為演講實錄:
     
        很榮幸有這個機會跟大家分享一下我們公司在鋰離子動力電池方面仿真技術的應用情況。
     
        1、全尺度下仿真是技術發展的必然。
     
        2、全尺度下鋰離子動力電池仿真技術的應用。
     
        3、發展展望。
     
        一、全尺度下仿真是技術發展的必然。
     
        我們可以看到對于新能源汽車的發展而言,基本上可以認為2018年之前處于偏重數量的發展階

    段,之后開始進入數量與質量并重的發展階段。
     
        新能源汽車的發展趨勢,從主要解決里程焦慮的問題,開始向高性能、低成本、高安全性的方向發

    展。
     
        這對動力電池系統,也就是新能源汽車的核心部件提出了更高的要求,這需要從材料到電芯、模

    組、電池包、電池系統考慮的系統性問題。
     
        計算仿真技術可以依靠計算機強大的計算能力以及虛擬仿真優勢,可以充分實現從系統性的角度助

    力于電池系統的開發,可以有效節省開發過程中的成本和周期。
     
        縱向包括原子到材料、模組、系統尺度,橫向包括生命周期維度、性能維度、幾何維度、模型維

    度,在縱向、橫向的坐標上,并不是每一個縱坐標都要對應一個橫坐標,具體每一個所關注的點是不

    一樣的。
     
        二、全尺度下鋰離子動力電池仿真技術的應用發展。
     
        這是我們總結對于不同尺度下,我們可能會關注到性能的特點,接下來我會詳細介紹我們在各個方

    面應用的情況。
     
        包括以下五個部分:
     
        (1)第一性原理。
     
        主要技術特點是把多原子體系看成由多個電子和多個原子核分別組成的系統?;谙鄳某颠M行

    相應的計算
     
        比如說可以用它來計算電極的平衡電位、相穩定性、電子傳導及離子擴散等等方面。
     
        同時我們通過相變研究,有利于理解具有不同缺陷結構的材料在充放電過程中的結構穩定性,以及

    充放電曲線對應的反應機理。
     
        我們基于第一性原理的計算,預測固態電解質材料不同元素組成、晶體結構、摻雜替代、缺陷等對

    材料離子導等關鍵性能的影響規律,為材料開發提供指導,顯著減少了實驗量,成功開發出具有高離

    子電導率、寬電化學窗口的固體電解質材料。
     
        電解質材料是基于鹵化物,同時現在已經實現了公斤級的制備。下面的圖上,如果所有的因素都要

    通過實驗來優化,實際上工作量非常大。通過計算的方式,可以有效排除掉一些相應元素不能滿足要

    求的實驗組合。
     
        盡管通過第一性原理做計算,一手得到的實驗結果和模擬結果很難做定量上的比對,但是從定性上

    可以有效告訴你,什么位置上可能會得到最優性能。
     
        它的優點是從第一性原理出發,能夠深入理解材料基礎機理,但是目前受限于材料基礎科學,理論

    模型、計算軟件、實驗觀測手段以及相關數據庫上均需要長足的發展。
     
        (2)材料顆粒尺度。
     
        從材料顆粒微觀尺度以三維形式進行多孔電極的表征重構。在此尺度下進行相應的鋰離子動力電池

    相關特性的研究工作。
     
        通過材料顆粒尺度的三維重構結合鋰離子電池電化學模型,可以更直觀的研究鋰離子的濃度分布、

    電勢分布與電極微結構間的關系。同時由于考慮到顆粒尺度,它也可以更好地和制程工藝相結合。
     
        我們計算了通過改變注液真空度、電解液物性、表面張力、接觸角、極片結構等物性參數,研究各

    個參數對浸潤效果和浸潤時間的影響,與宏觀浸潤效果對標不同體系、不同結構的電極工藝、方案可

    以優化制造工藝以及電池的性能。
     
        它的優點是從顆粒尺度來考慮可以獲得因顆粒不均對電池性能的影響,需要解決的問題是三維重構

    算法的準確性受到測試技術及算法影響比較大,受限于目前計算技術的限制,必須對計算方法進行進

    一步優化。
     
        (3)電極及電芯尺度。
     
        從電極尺度出發,可以結合電極的結構參數、材料特征參數、熱物性參數,以電化學機理模型為基

    礎,來研究電極在充放電過程中的電熱特性及分布相關情況。
     
        它可以通過輸入電極結構參數、材料特征參數、熱物性參數,結合P2D模型,可以得到電壓、電

    流、熱的相關性能參數。
     
        從電極尺度上可以反映出電熱分布,可以得到電極電熱參數的分布,它是以電極為最小單位,不能

    反應顆粒分布,逐層構建電芯計算量大。
     
        那么可以結合顆粒尺度進行全極片的仿真分析,明確由于極片層級的不均勻性,對電池壽命及安全

    性的影響。
     
        電芯層級,需要以電芯為最小單位進行相應的性能研究,主要基于電化學模型和等效電路模型。
     
        這是結合電化學模型可以進行計算,從而可以優化電解液優化過程中的參數。比如通過計算可以得

    到正極壓實和負極壓實恒定,改變電極密度拐點的出現。
     
        盡管我們在計算過程中,比如計算得到28的時候出現拐點,實驗過程中可能不一定在28左右,但

    是也在附近找這個點,基本上都能找到相應的值,得到相應的實驗結果驗證。
     
        同時我們也可以結合電化學機理模型,再結合循環壽命對它的影響,包括析鋰以及副反應的發生,

    可以對循環壽命進行相應的仿真。
     
        此外,我們結合熱失控的副反應模型,可以對電池的安全性進行優化仿真。第一步需要將過充的熱

    膜力與實驗結果進行對比,比對過后就拿到了電芯在熱失控過程中的模型電池。
     
        通過改變隔膜溶解以及電解液分解電壓,通過仿真可以得到這兩個參數對過充熱失控的影響程度。

    通過改變隔膜熔點,對安全性的提升比較小,當電解液分解電壓提高,可以顯著延遲失控的發生。
     
        我們通過仿真可以得到對電池安全性優化的方向,雖然我們在計算的時候,可能沒有找到達到

    4.2、4.8V分解電壓相應的材料,但是給我們指明了方向。
     
        同時我們也可以結合模型進行相應的短路分析。
     
        我們基于電化學模型,相當于考慮了電極結構的參數、材料特征參數、熱物性參數,從電化學機理

    上對電池進行了分析,它的缺點或者需要解決的問題是受限求解相對復雜,在電芯使用過程中的應用

    較少,更多是模型本身所做的假設比較多,一般情況下需要通過實驗數據校正。
     
        比如這里面有個反應動力學常數的參數,本身是本征的反應動力學參數,不可能通過實驗獲取。
     
        我們還有一個模型叫等效電路模型,這個模型可以在持續過程中對電芯性能進行預測,我們基于相

    應的模型建立了模型中的開路電壓、等效電阻等等參數。
     
        隨著溫度和SOC變化的二維關系,這個二維關系如果直接采用查表的方式,一方面在BMS系統占

    用大量的內存,我們提出了雙50多向(音)的關系,可以很好地所有的模型與溫度SOC的關系進行完

    美的擬合,可以導入到系統中,對SOC進行預測。
     
        這個方法的優點是電路等效方法比較簡單,同時如果能夠結合信號處理,可以實時監測電池的狀

    態。但是它是經驗型模型,偏向于應用層級。
     
        對于電池開發而言,很難和電池內部的結構參數、材料參數相關聯,而且準確性依賴于寬范圍及電

    池自身狀態的校正情況。
     
        (4)模組及電池包。
     
        這個層級主要仿真應用模型或者相應技術比較成熟,偏向于結構和熱管理部分。
     
        基于國標規定的所有安全項目,我們都可以做相應的仿真過程。通過仿真不僅可以得到相應的結果

    是否滿足要求,還可以得到不同階段、不同區域的分布情況。
     
        同時我們也可以采用相應模型進行熱管理的仿真,相當于在動力電池應用領域應用得比較早,因為

    它的模型相對比較成熟,都是基于能量守恒定律,這是我們的仿真結果。
     
        這個優點是考慮結構信息,相應的仿真模型比較成熟,各方面的技術比較成熟。這部分的應用比前

    面的電極尺度應用早一些,應用型強的基礎是電芯層級的參數輸入要準確,比如產熱率。
     
        網格節點多計算資源占用大,如果想結合單電芯層級進行計算的話,計算資源占用就會比較大。
     
        (5)電池系統層級(多尺度耦合)。
     
        從原子尺度到系統尺度,這是研究結果,將電芯層級的機理和電池包熱分析相結合,建立了容量衰

    減和可靠性在內的使用壽命模型來評價鋰離子電池系統的使用壽命。
     
        我們也基于電化學基礎模型以及統計模型,考慮了電池制造的一致性因素,來建立了電池一致性評

    估方法。這個方法對于電池的分布不是基于正態分布,而是基于weibul分布,考慮到參數本身平臺分

    布的情況。
     
        基于這個方法,可以考慮密度、厚度、電解液、鋰離子濃度等制造參數一致性分析,這樣可以將制

    造過程中的一致性偏離參數和電芯最后得到的實際容量和性能相耦合,可以準確用模型描述由于制造

    過程的不一致性,導致最后電芯本身性能的不一致性。
     
        三、發展展望。
     
        前面的部分可以看到,其實各個尺度上,雖然都有各個尺度上推的應用。但是不管從材料一直到系

    統、電芯,尺度上仿真的過程相對而言比較孤立,我們希望能夠打通各個層級的縱向、橫向關系,這

    樣可以真正將仿真用于電池的全生命周期維度,才能為電池系統發展或者電池性能的進步提供更好的

    輔助支持。
     
    以上就是我報告的全部內容,謝謝!

     
    (注:本文根據現場速記整理,未經演講嘉賓審閱,僅作為參考資料,請勿轉載?。?/strong>

     
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