锂离子动力电池的动力学分析

锂离子动力电池的动力学分析

周文杰

上汽时代动力电池系统有限公司 江苏省常州市 213300

摘要：单体电池内部与并联单体电池直接存在着一致性的差异，如果锂电池发生了极化影响，要么单体电池，可能会产生电流密度不均等情况。锂电池作为一种非常明显的动力电池能源，在其正常充放电的过程中，自然会发生一些特别的物理和化学现象，分析锂电池动力学的一般原理，研究其三明治结构，可就可以了解电池在最佳充放电情况之下，有怎样的优化组合方案。

关键词：锂离子；动力电池；动力学分析

前言：

锂离子电池的特性研究可以分为热力学特性和动力学特性两个方面，其中热力学特性研究的主要是锂离子电池的电压、容量等参数，相对比较简单，而动力学研究的相对比较复杂，锂离子电池本身的倍率特性和低温特性，属于动力学的研究领域，锂离子电池涉及到非常复杂的物理和化学反应，通过大量的研究报道可以发现，锂离子电池可以使用交流阻抗的方式进行动力学特征的研究，锂离子电池的负极对于温度的影响，相对比较敏感，可能会导致电池特性的下降。

1.锂离子电池的结构

锂离子电池包括几个非常不同的体系，其设计工艺相对也比较复杂，钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰三元和磷酸铁锂等和卷绕和碟片等制造工艺共同铸造了现金新的离子电池，每一个不同的结构都是由若干基本单元所组成的。从左到右依次是：正极集流体、正极极片、隔离膜、负极极片和负极集流体。其中，正、负极集流体一般分别为铝箔和铜箔；正、负极极片是由活性材料、导电材料和粘接剂等混合之后均匀涂在正、负极集流体上形成的一层多孔介质，可以通过电解液；隔离膜为允许锂离子通过但不允许电子通过的多孔介质。很多研究者将锂离子电池的外形结构称之为三明治，这是因为这种类似于三明治夹层的结构，特别有助于锂离子电池的物理和化学特性发展。锂离子电池等物理化学过程就是其动力学的过程，对其进行研究和说明有助于进一步的发展锂离子电池的创新应用。

2.锂离子电池动力学过程原理分析

在进入到负载或者外部电源之后，锂离子电池正式接入了回路之中，进入回路的电池会系列锂离子的物理和化学变化，电过程就很好的揭示了电池内部的动力学过程。对于锂离子电池来说，充电和放电的过程原理是非常一样的，只是负极和正极电荷运动方向刚好相反。当锂离子电池接入到负载之后，电极的正面和负面电压会出现较大的电压势差，通过平衡电压的改变，在开路计划之下，雷子电池内部的平衡机制被打破，正极和负极都产生了化学反应，这些化学反应是由锂离子电流所激发。也就是说，电化学反应是将锂离子电池之中的锂离子从复性活性颗粒中脱出的过程，电化学反应将驱动锂离子电池出现一个浓度的梯度。其从负极活性颗粒中脱出，逐渐扩展到了迁移和对流层。锂离子电池的液相扩散过程，标志着锂电子电池，在集流体和极片上产生了对于锂离子电池的吸收，这个过程促进了锂离子本身的扩散，而在锂离子被吸收之后，固相电势带动了锂离子转变的过程，这个过程如果利用数学公式来进行描述，就是针对于锂离子在活性颗粒表面的拖欠过程进行的数学描述，它是一种电化学的激烈反应。锂离子在交换电流时，经过描述电化学反应剧烈程度的差异，就可以将电极电势的平衡值差异完美的展现。

锂离子电池的化学过程利用数字公式表述计算如下：

锂离子电池中的锂离子，其活性颗粒的内部扩散过程，可以采用其他的公式，一般来说,往往使用锂离子的浓度作为活性颗粒演变的重要依据，在锂离子电池功放电的过程中，其浓度梯度的驱动是非常明显的，而且浓度驱动力量也在不断的发生变化,具体来说可以总结为以下的公式来进行描述：

锂离子电池，还会发生一定的液相扩散作用过程，其在参与电解液的势能转变过程中，遵循的是欧姆定律的一种特种的变形方式。

3.现代锂离子电池动力电池组合和充放电存在的问题

3.1若干小容量的单体电池并连成大容量的电池

小容量电池组成的电池组，由于电池的自然条件和温度充满电的费率，都有一定的不同，电池的容量内阻，充分肯定要存在的差异，因此组合形式的二元次方程，由于大容量的单体电池内部，锂电池的充放电次数越来越多，单体电池的一致性越来越差，电池内部的材料反应一致性也在逐渐的发生变化。

3.2若干大容量的单体电池串联成较高电压的大容量电池组

采用若干容量的大容量单机电池串联成电池组之后，根据电池的电压端，放电情况之下，手动连接串联电流方式，解决电极和极限之间使用条件的一致性差异，电池结构的材料如果没有受到破坏，那么循环性能就会较为良好。并联电池的电容密度分布不一定有并联电池本身的电流大小所决定。在循环的电池组织内造成工作量差异的明显原因是因为大容量单体电池和大容量电池的电流循环倍率有所差异。

4.改进锂离子电池充放电的方法

锂离子电池催化剂的改进方法可以采用最先入手开始小电流供电，在恒定的充电电压限制电流充电的情况之下，将小于电流设定值的两端时间设定值，直接进行检查恒定电压是否稳定的方法。在判断了电池电压是否能够达到接受充电的电压设定值，就可以采用多阶段恒定充电电压的充电方式。另外在同样的充电时间之内，如果能够采用充电一段时间就使用小电流补充的方式，充电效果更为良好，甚至超过横流充电的情况。在这个时候应该尽量降低用电设备的功率，进行正常的放电，然后降低用电设备的功率降低放电电流的流出。

总结

在现有的锂离子电池使用过程中，电池管理系统根据电池的单向端进行电池端进行电压的测量和充放电电流的测量。只要进行电池配组之前的筛选，尽量筛选只有大功率的大容量电池，就可以通过热分析和热管理实现不同平台电池材料的组合应用，甚至为了形成成本可以实现新旧电池的混合应用，而打造不同容量的不同容量的电池组。在电池的并联使用过程中，电池管理系统发挥着极为重要的参考作用。

参考文献

[1]郭琦沛. 锂离子动力电池健康特征提取与诊断研究[D].北京交通大学,2018.

[2]张林灿. 模拟电动汽车实时工况动力电池测试平台的设计研究[D].东南大学,2017.

[3]黄培鑫. 随机激励下电动汽车动力电池包内部触点动力学响应及安全性评价[D].华南理工大学,2017.

[4]王位. 基于平均电极反应动力学的锂离子动力电池模型降阶与SOC估计研究[D].江苏大学,2017.