电池设计基础计算公式
本文摘要:(由ai生成)
电池设计涉及多个复杂方面,需满足多种性能指标。随着技术进步,设计过程愈发复杂。常用设计工具包括EXCEL、MATLAB/Simulink等,需考虑材料、电化学、几何和操作条件等参数。文章还介绍了电池质量、极片涂层孔隙率等计算公式和性能评估参数。此外,精选文章涵盖锂离子电池机理、工艺、技术和生产线等内容,为电池设计提供丰富参考。本文为电池设计提供了全面指导,有助于推动电池技术进步和应用发展。
电池的设计不仅需要考虑活性材料、导电剂、粘结剂、隔膜、溶剂、电解液等材料的化学性质、物理结构,还要考虑电极结构、电池组装和封装方式等,如图1所示。设计过程中,还必须确保电池能满足能量密度、功率密度、循环寿命和安全性等性能指标。此外,随着技术的进步和市场需求的变化,电池设计也在不断地演变和优化,这使得设计过程变得更加复杂和多变。
电池厂都有一套自己的电池设计工具,比如小厂或者科研人员一般采用EXCEL形式的电池设计表来设计电池参数。设计过程中涉及许多基础的计算公式,这些公式是理解和优化电池性能的关键。今天分享一些常用的电池设计计算公式:m电池质量=∑(m组件)=m负极极片+m正极极片+m隔膜+m电解液+m电池部件m负极极片=n负极⋅(m负极集流体+m负极涂层材料)m正极极片=n正极⋅(m正极集流体+m正极涂层材料)其中,n负极/正极表示电池中负极或正极的数量,n隔膜是隔膜的层数或数量,V电解液是电解液的体积,ρ电解液是电解液的密度。电解液的体积根据涂层孔隙率ε计算,涂层混合物的真密度为:裁切一定面积S的极片样品,测量其厚度、质量,计算涂层表观密度(或称压实密度):相对应的,活性材料、导电剂和粘结剂等组分的体积分数同样可以计算:
那么,涂层中固体颗粒的体积和电解液(孔隙体积)为:Vsolid是涂层中固体的体积,Vliquid是涂层中电解液的体积,即孔隙体积,Vbulk是电极涂层表观体积,即电极涂层面密度除以涂层厚度。电解液是由溶剂和锂盐组成的,假设各组分混合溶解之后体积不会变化,有:电解液体积是正负极涂层的孔隙体积和隔膜孔隙体积之和,考虑到注液量需要一定的盈余量,设定电解液体积过量系数f,则电解液体积为:式中,n表示正、负极电极的数量和隔膜的层数,最终,电解液的质量,或者固体组分的质量,可以根据密度和体积计算,即:z: 参与反应的电子数,对Li+,z=1;F: 法拉第常数(96485 C/mol);MAM: 活性材料的摩尔质量。实际上,理论容量不会完全发挥,利用率为Δx,则材料实际克容量为:其中Δx是实际的最大嵌锂SOC和最小SOC之间的差值,对于石墨,如下式所示电极涂层中,活性材料的质量百分比为wt%AM,则有涂层的实际克容量为对于涂层尺寸为w*h的双面涂层电极,单个极片的涂层面积为:电池中,一般正极极片面积小于负极面积,正极或负极极片总涂层面积为单个极片面积乘以极片数量(#electrode*Abulk),计算电池容量时所用的总涂层面积为正负极之间最小的面积,即:而电池的电压根据正负极材料的开路电压曲线计算,电池开路电压与SOC的关系为正极材料平衡电势减去负极材料的平衡电势,即:如图2所示电池开路电压曲线是在正负极材料匹配过程中的曲线,电池额定电压可以根据电池开路电压曲线积分获得: 那么,电池的能量就是额定电压和电池容量的乘积,即:根据正负极的容量匹配,我们可以计算正负极涂层的厚度t,正负极涂层厚度比为:如图3所示,实际电池设计以叠片电池为例,电芯的厚度tES是所有正负极极片和隔膜厚度之和,一般正极极片数为n,则负极极片数量为n+1,隔膜层数为2n+2。 正极或负极极片的厚度就是涂层厚度*2加上集流体厚度,为:隔膜的宽度和高一般和电芯尺寸相同,隔膜对负极极片有一定盈余,负极对正极有一定盈余,根据盈余设计值,即可计算正极或负极极片的宽高尺寸。电极材料的开路电势(OCP)与锂化/脱锂化状态的函数关系。(2)MATLAB/Simulink:MATLAB是一个强大的数学计算和编程平台,广泛应用于科研和工程领域。Simulink是MATLAB的一个附加产品,提供了一个基于图形的多域仿真环境,可以用于电池模型的建立和性能分析。(3)ANSYS:提供了一系列的仿真工具,包括电化学、热力学和结构分析模块,可以用于电池设计和性能预测。(5)Battery Design Studio (BDS):BDS是一个专注于电池组设计的软件,提供了电池单元和电池组设计的全面解决方案。 (6)ISEA Cell & Pack Database (ICPD):ICPD是一个基于MATLAB环境的开源电池数据库,提供了一个基于材料和设计参数的电池性能计算框架,支持虚拟电池设计和性能预测。参考文献:Kuipers, M., Bihn, S., Junker, M., & Sauer, D. U. (2023). Development of a cell design environment for bottom-up estimation of performance parameters for lithium-ion batteries and virtual cell design – ISEA Cell & Pack Database (ICPD). Journal of Energy Storage, 72, 108396.公 众 号持续更新和分享锂电技术知识与资讯,终于获得了留言功能,前往屏幕最下方即可写下留言,期待与大家更多地留言互动交流,感谢朋友们继续支持与关注。