锂离子电池单元模型：电池单元电化学分析

在本教程中，您将在微尺度水平对锂离子电池单元进行建模。此模拟将介绍多孔电池电极的三维微观结构的预测方法。

在生产环境中，此类分析可加速电池单元的设计过程，并且可评估设计的安全性和寿命。

活性材料的结构通常不规则且复杂，并且不同的活性材料也具有不同的结构。固体颗粒的结构经常由更为简单的规则结构进行表示。在本教程中，将为您提供随机分布的球形颗粒，这种颗粒表示单一结构并反映所需的孔隙率。

在本教程中，将对下列各项进行建模：

• 活性材料、电解质和集电器中的电势

• 活性材料和电解质中的锂浓度

• SEI（固体电解质界面）上的特殊条件

几何由典型锂离子电池单元中一对电极间的取样组成。提供的 CAD 几何比实际大。例如，阳极集流器在 CAD 中为 1.0 m，实际为 10 μm。几何网格化后，按 1E-5 缩放 CAD。包括的几何部件有：

• 阴极集电器 — 1.0 m 厚的铝箔

• 阳极集电器 — 1.0 m 厚的铜箔

• 电解质 — 碳酸亚乙酯/碳酸甲乙酯和 LiFP₆（六氟磷酸锂，它是锂电池中的一种常见电解质盐）的 50:50 混合物

• 隔膜 — 1.0 m 厚，孔隙率为 40% 且 MacMullin 数为 2.5。

  MacMullin 数是含电解质的隔膜的电阻和电解质本身的电阻之间的比值。在定义均质多孔介质时，此数字描述弯曲。

• 阴极 AM（活性材料）— 3.5 m 厚的 LiMn₂O₄（锰酸锂），颗粒直径等于 1.8 m，目标孔隙率为 40%

• 阳极 AM — 3.5 m 厚的石墨，颗粒直径等于 2.0 m，目标孔隙率为 40%

每个电极均由固态活性材料及周围的电解液构成。电极内的这些区域将单独进行建模。在 SEI（固体电解质界面）处发生化学反应。