模拟阴极厚度对全固态薄膜锂离子电池低温放电性能的影响

《Journal of Energy Storage》：Modeling the effect of cathode thickness on the low-temperature discharge behavior of all-solid-state thin-film lithium-ion batteries

基于电化学-热耦合模型的固态锂离子电池低温性能研究显示，当电极厚度从320 nm减至240 nm时，253.15 K环境下的放电时间增加125秒（6.08%），容量利用率提升至92.26%。模型通过引入锂离子浓度沿厚度方向的扩散系数关联，有效改善了低倍率（C/20）和高倍率（51.2C）下的仿真精度。

　　

李崇崇|刘环玲|辛伟伟|孙伟|周涛|邵晓东|罗月

中国西安电子科技大学机械电子工程学院高性能电子设备机电一体化制造国家重点实验室，710071

摘要

全固态薄膜锂离子电池（ATLBs）由于其高安全性和能量密度而被认为是一种有前景的储能电源。然而，低温下锂离子导电性的限制严重影响了电池的性能。正极厚度影响锂离子的扩散路径长度，进而影响ATLBs的低温性能。为了提高ATLBs的低温性能以满足实际需求，基于电化学-热耦合模型建立了一个先进的二维数值模型。该模型考虑了锂离子浓度沿正极厚度对其扩散系数的影响，并通过将仿真结果与实验数据对比验证了其有效性和准确性。然后，本文详细讨论了ATLBs的低温性能及其潜在影响机制，并深入分析了正极厚度对ATLBs低温性能的影响规律。研究发现，在极低温度253.15 K下，当正极厚度从320 nm减小到240 nm时，放电时间增加了125 s，容量利用率提高了约6.08%。本工作为ATLBs在低温下的性能优化和正极厚度设计提供了理论指导。

术语表

符号说明

EaLCOLCO的活化能（eV）$E_a$LiPON的活化能（eV）$h$传热系数（W/(m²·K）kB玻尔兹曼常数（J/K）Qtheo理论比容量$I$电流（J/K）$R$气体常数（J/(mol·K)）κθ有效热导率（W/(m·K)A有效面积（cm²）

$c_{{\mathrm{Li}}^{+}}^{\mathrm{int}}$	${\mathrm{Li}}^{+}$的初始浓度（mol/m3）
$c_{{\mathrm{Li}}^{\oplus }}^{\mathrm{int}}$	${\mathrm{Li}}^{\oplus }$的初始浓度（mol/m3）
$D_0^p$	依赖于${\mathrm{Li}}^{\oplus }$浓度的扩散系数（m2/s）
Tamb	环境温度（K）
Tave	平均温度（K）

理论描述

如图1所示，采用立方电流分布、稀释物种传输、固体中的热传递以及多物理场耦合的模块设计了ATLBs的二维仿真模型。该二维模型能够更清晰地显示电池内部沿厚度方向的变化情况，同时使仿真结果更易于理解。其中，电池的正极材料为LiCoO₂（标记为LCO）。

模型优化与验证

在放电过程中，${\mathrm{Li}}^{\oplus }$在LCO中的扩散是其电压放电曲线的主要影响因素之一。Li⊕的扩散机制受其扩散系数的影响，扩散系数可以描述单位浓度梯度下单位面积内的物质通量。Li⊕在具有不同锂化学计量的LCO中的扩散系数是不同的。大量实验研究表明，Li⊕在LCO中的扩散系数会发生变化。

结论

本文建立了一个先进的ATLBs电化学-热耦合模型，并通过实验数据验证了该模型的精度。通过引入锂离子浓度沿正极厚度与扩散系数之间的相关性，有效提高了电化学模型的准确性。在低倍率放电情况下，放电曲线与实验数据吻合良好。即使在51.2C的高倍率放电条件下，

CRediT作者贡献声明

李崇崇：撰写——初稿、可视化、研究、概念构思。刘环玲：撰写——审稿与编辑、验证、项目管理、形式分析。辛伟伟：验证、研究。孙伟：验证、研究。周涛：验证、研究。邵晓东：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调。罗月：撰写——审稿与编辑、验证。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52275160）的支持。