Ragone图工具分享：用半电池数据快速评估全电池性能

锂离子电池的高能量密度与高功率密度在物理和电化学层面存在固有矛盾，难以兼得。Ragone图描述电池的这两个关键性能指标：比能量和比功率，可以清晰展示储能器件在“能量-功率”空间中的位置。一般地，Ragone图一个坐标是比能量（单位重量能存多少电量），另一坐标是比功率（单位重量能输出多大功率），如图1所示。

图1  对比了恒流（CC）与恒功率（CP）两种放电模式下的Ragone曲线（图a），并解释了二者产生差异的物理原因：在相同平均功率密度下（830.33 W/kg），恒功率放电末段电流更大、极化更严重，导致电压更早触及截止值（图b、c），因此实际释放的能量更少

其中，E是储能系统储存的总能量（Wh）， m是系统的总质量（kg）。比能量Es值越大，意味着设备在相同重量下能提供更长的续航。P是储能系统能持续输出的功率（W）。Ps值越大，设备“爆发力”越强，加速或响应越快。

图中的对角线对应恒定的放电时间，从原点出发的每条射线都代表一个特定的放电时间。例如td=1h的线，意味着器件在以额定功率放电时，可以持续工作1小时。

要计算Ragone图，首先需要收集电池在不同放电或充电倍率下的能量和功率数据。然后，计算能量密度，根据电池的质量或体积以及所能存储的总能量来计算能量密度。再计算功率密度，功率密度的计算需要知道电池在特定负载下的功率输出。

这里分享两个Ragone模拟工具：

锂离子电池Ragone计算器

德国弗劳恩霍夫陶瓷材料与系统研究所的学者提供了一种直接的计算工具(Ragone计算器)，该工具允许输入材料和电极的测量数据，并估计全电池级别的电池性能。Ragone计算器是一个Excel文件，点击《电池性能预测计算工具：Ragone计算器》提供下载。

该计算器计算过程如图2所示，由活性材料、粘合剂和导电添加剂制成的实验室电极经过电化学测试，获得比容量和倍率性能。测试数据与电极的成分和几何特性一起输入Ragone计算器。Ragone计算器生成一个假设的全电池，与导入电极的特性相匹配，并以 Ragone 图的形式输出体积和重量能量和功率密度以及各种组件的相对质量和体积分数。

图2  使用Ragone计算器的过程示意图。由活性材料、粘合剂和导电添加剂制成的电极通过电化学测试比容量和倍率性能。测试数据与电极的成分和几何特性一起输入到 Ragone计算器中。Ragone计算器生成一个全电池，匹配导入电极的特性，并以Ragone图的形式输出体积和重量能量和功率密度以及各种组件的相对质量和体积分数。

具体操作过程如下：

（1）Ragone计算器Excel文件中的Input界面输入材料的比容量和倍率性能测试数据，以及电极的成分和几何特性。这里有三个按钮：①输入电极参数以正极为依据或者以负极未依据；②输入参数以工具内的默认值或者自定义输入；③不同倍率下的电压以平均电压或者以测试电压为准。

图2  Ragone计算器输入数据

详细的输入参数包括正负极电极的参数（涂布面密度、活性材料真密度、活性材料理论容量、电极厚度、活性材料比例、粘结剂比例、导电剂比例、粘结剂真密度、导电剂真密度、平均电压）；电池隔膜孔隙率、厚度和密度；电解液密度、集流体厚度和密度；负极首次容量损失率、N/P、电解液过量系数、电池的体积和质量利用率等

工具内提供了一些默认值，部分电池设计参数默认值如以上图片所示。材料参数和三种典型结构电池的壳体利用率默认值如下，这些默认值都是通过分析商业化电池获得的，目前的工业水平参数。

（2）Ragone计算器Excel文件中的Output界面自动输出电池质量和体积数据，各组分的质量和体积占比，质量和体积的能量密度和功率密度关系图，以及面容量和电流密度关系图。

离子混合电容器Ragone Plot Simulator工具

针对混合离子电容器（HIC）中正负极倍率性能差异大导致传统“低倍率容量匹配”方法失效的问题，文献【2】提出了一种基于半电池数据的半经验质量配比预测方法，并开发了“Ragone Plot Simulator”软件工具，实现了在制作全电池之前快速筛选最优电极质量比，输入半电池数据即可模拟不同质量比下的Ragone图。

第一步：准备半电池数据（.txt 文件），正极一个、负极一个，格式要求严格：不要表头，只保留纯数字；第一列：电流密度（Current density）；第二列：比容量（Capacity）；数据之间用空格或 Tab 隔开。

第二步：打开软件并导入数据，双击 Ragone Plot Simulator 图标打开软件。

在界面的 Anode Data（负极数据）和 Cathode Data（正极数据）栏，分别点击右侧的 Browse 按钮，导入两个正负极 txt 文件。

第三步：设置质量配比与电压窗口

质量配比（Mass ratio）：在 Anode Mass 和 Cathode Mass 输入框里填入想要的比值。比如想看 1:1 和 1:2，就分别输入 1 和 1，或者 1 和 2。

电压窗口（Cut-off potentials）：填入全电池预计的工作电压上限（Upper Cut-off Potential）和下限（Lower Cut-off Potential）。比如填 4.0 和 0。

第四步：数据拟合（Fit），点击正极和负极对应的 Fit 按钮；软件会弹窗让选择拟合/插值方法：

Curve Fitting（曲线拟合）：用指数衰减曲线拟合，需选阶数（Degree）。

Bspline Interpolation（B样条插值）：用多项式插值，需选阶数。

Bspline Interpolate and Curve fitting extrapolate：先插值再外推拟合。

第五步：计算与导出，点击 Calculate（计算）按钮。

软件会弹出一个新窗口，显示出该质量比下的 Ragone 图（横坐标是功率密度，纵坐标是能量密度）。

此时，数据会自动保存在软件所在的文件夹里，文件名格式为 'Anode mass'_'Cathode Mass'.txt（例如 1_1.txt），里面包含功率-能量数据点，可以直接拿去画图。

如果还想对比另一个质量比（比如 1:2），只需在输入框更改质量比，重新点击 Fit 和 Calculate，就能在图上叠加出第二条曲线。

如果中途输错了或者想重新开始，点击左下角的 Reset 按钮，所有输入都会被清空，可以从头再来。文末点击阅读原文可下载离子混合电容器Ragone Plot Simulator工具

参考文献：

[1] Heubner,C., Voigt, K., Marcinkowski, P., Reuber, S., Nikolowski, K.,Schneider, M., Partsch, M., Michaelis, A., From Active Materials toBattery Cells: A Straightforward Tool to Determine PerformanceMetrics and Support Developments at an Application-Relevant Level.Adv. Energy Mater. 2021, 2102647.

[2] Surendran V, Lal A, Shaijumon M M. Mass Balancing of Hybrid Ion Capacitor Electrodes: A Simple and Generalized Semiempirical Approach[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2021, 13(44): 52610-52619.