1D等温锂离子电池在不同电解质与正极材料下的数值建模研究

原文标题：Numerical Modelling of 1d Isothermal Lithium-Ion Battery withVaried Electrolyte and Electrode Materials

全文摘要：1D等温锂离子电池在不同电解质与正极材料下的数值建模研究

本研究基于COMSOL Multiphysics 6.0软件，构建并分析了一维（1D）等温锂离子电池模型，系统探讨了不同电解质类型（液态与聚合物凝胶电解质）和不同正极材料（LCO、LMO、LFP、NCA、LiNiO₂）对电池电化学性能的影响。研究旨在为新型电池材料的筛选与优化设计提供理论依据。

一、研究方法与模型基础

• 模型采用一维几何结构，包含负极（石墨）、电解质层和正极三个区域，假设温度恒定（298 K），忽略边缘效应。
• 使用Doyle等人提出的经典锂离子电池模型进行仿真，并通过实验数据在多个C率下验证了模型的准确性。
• 电解质体系分为两类：
  • 聚合物电解质组：含PVDF-HFP基体，溶解LiPF₆于EC:DMC溶剂中（两种配比）；
  • 液态电解质组：四种不同碳酸酯类溶剂组合（如EC:DEC、EC:DMC、EC:EMC等）。
• 正极材料比较包括：LiCoO₂ (LCO)、LiMn₂O₄ (LMO)、LiFePO₄ (LFP)、LiNiCoAlO₂ (NCA) 和 LiNiO₂。

二、主要发现

1. 电解质材料影响

• 盐浓度分布：
  • 使用聚合物电解质的电池整体电解质盐浓度范围平均高出液态电解质约70%（负极/正极区），电解质层内也高出约40%。
  • 其中，LiPF₆/EC:DEC（1:1）液态电解质表现出最宽的浓度变化范围（195 mol/m³），表明其内部离子传输不均更显著。
• 电压表现：
  • 在相同放电条件下（如1C率），液态电解质电池输出电压普遍高于聚合物电解质电池约0.05 V，且该趋势在不同C率下一致。
  • 表明液态电解质具有更优的离子导通能力与更低的极化损失。

2. 正极材料影响

• 荷电状态变化（AESOC）：
  • 放电过程中，LFP正极的平均荷电状态变化最大（+0.33），其次是LiNiO₂（+0.31）、LMO（+0.30）、NCA（+0.14），而LCO最小（+0.121）。
  • 材料密度越低、初始锂含量越少，单位充放电引起的SOC相对变化越大。
• 锂浓度梯度：
  • LFP电极颗粒表面与中心的锂浓度变化最为剧烈，在1800 s时达9122 mol/m³差异，反映其高反应活性与大浓度波动。
  • 相反，LiNiO₂电极的浓度变化最小（仅123 mol/m³），显示其良好的内部均匀性与稳定性。
• 电压特性：
  • LiNiO₂电池起始电压最高（6.17 V），但电压衰减最快，总压差达3.58 V（0–15 Ah/m²），适合高能量输出应用。
  • LFP电池电压最平稳，压差仅0.9 V，虽能量密度较低，但具备优异的安全性和循环寿命，适用于对稳定性要求高的场景。
  • 放电末期，LCO电压最高，LFP最低，体现各自容量保持能力的差异。

三、结论与应用意义

• 聚合物电解质虽机械强度高、安全性好，但在离子传输效率上略逊于液态电解质，导致电压偏低；而特定配方（如EC:DEC）的液态电解质可能引发较大浓度极化。
• 正极材料选择需权衡能量密度与稳定性：NCA和LiNiO₂适用于电动车等高能量需求领域；LFP则更适合储能系统、轨道交通等长寿命、高安全要求的应用。
• 该数值模型可有效预测材料组合对电池性能的影响，为未来开发高性能、定制化锂离子电池提供有力工具。

关键词总结 锂离子电池｜电解质材料｜正极材料｜数值模拟｜COMSOL Multiphysics｜C-rate｜电压曲线｜荷电状态（SOC）｜浓度梯度

> 本研究不仅揭示了关键材料参数与宏观电化学行为之间的内在联系，也为电池设计者在材料选型、性能优化及应用场景匹配方面提供了科学指导。