固態(tài)電池設(shè)計(jì)與性能估算工具

美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Ilias Belharouak等人設(shè)計(jì)了一個(gè)可用于固態(tài)電池設(shè)計(jì)與性能全面分析的交互式實(shí)驗(yàn)工具包(SolidPAC)。 該工具包可根據(jù)用戶特定的應(yīng)用要求，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的固態(tài)電池以及電池PACK，幫助研究人員對(duì)電極材料性能和組分、電極厚度和負(fù)載、成本等因素進(jìn)行合理優(yōu)化。 該工具包之前進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹：

固態(tài)電池設(shè)計(jì)與能量密度評(píng)估工具包

本文詳細(xì)介紹工具包中固態(tài)電池的設(shè)計(jì)過(guò)程。 該工具包有兩種形式供大家使用：(1)EXCELL文件版本，利用表格輸入參數(shù)，進(jìn)行電池設(shè)計(jì)與性能計(jì)算; (2)以軟件形式安裝，只能安裝在64位WINDOWS10.0以上版本操作系統(tǒng)，利用軟件界面輸入?yún)?shù)，計(jì)算性能。 兩種形式基本過(guò)程類似，本文以EXCELL版本為例進(jìn)行介紹。

軟件形式界面

第一步，選擇材料體系，點(diǎn)擊單元格右側(cè)下拉三角符，選擇對(duì)應(yīng)的材料。

1.1、選擇負(fù)極活性材料 ，包括石墨、硅和鋰，具體的參數(shù)包括容量(Nominal Capacity)、分子量(Molecular Weight)和材料真密度(Material Density)，默認(rèn)的參數(shù)值如下表所示，這里也可以根據(jù)自己的實(shí)際情況修改材料參數(shù)值。

1.2、選擇固態(tài)電解質(zhì) ，常見的固態(tài)電解質(zhì)及其性能默認(rèn)值如下表所示，主要參數(shù)包括密度、摩爾質(zhì)量、每克電解質(zhì)內(nèi)的可用Li質(zhì)量、電導(dǎo)率、負(fù)極/電解質(zhì)界面電阻、正極/電解質(zhì)界面電阻。 材料參數(shù)值也可以根據(jù)自己的實(shí)際情況修改。

1.3、選擇電極中添加的固態(tài)電解質(zhì)組分 ，可供選擇的主要是1.2固態(tài)電解質(zhì)中的前六種。

1.4、選擇正極活性材料 ，常見的固態(tài)電解質(zhì)及其性能默認(rèn)值如下表所示，常見材料包括NCA、NMC622、NMC333、LFP、LMO和75%NMC/25%LMO等，主要的參數(shù)包括材料摩爾質(zhì)量、電極面容量、克容量、活性材料/導(dǎo)電劑/電解質(zhì)/粘結(jié)劑的比例(根據(jù)實(shí)際情況修改電池設(shè)計(jì)參數(shù))、 不同SOC狀態(tài)下的電壓、電阻等，這些默認(rèn)值都是該團(tuán)對(duì)長(zhǎng)期工作中積累的數(shù)值，當(dāng)然材料參數(shù)值也可以根據(jù)自己的實(shí)際情況修改。

第二步，輸入電池模組、PACK、電芯設(shè)計(jì)參數(shù)，以及應(yīng)用新能源汽車類型。

Number of packs per vehicle (parallel or series)，每?jī)善嚨腜ACK數(shù)量;

Vehicle type (microHEV, HEV-HP, PHEV, EV)，電動(dòng)汽車類型，主要包括微型混合動(dòng)力、混合動(dòng)力、插入式混合動(dòng)力、純電動(dòng)，每種類型主要利用電池PACK的總能量比例不同，而且可能根據(jù)不同的材料變化，默認(rèn)值如下表所示。

Target battery pack power, kW，電池PACK目標(biāo)功率;

電池PACK組成如下圖所示，電芯通過(guò)串并聯(lián)組成模組，幾個(gè)模組串并聯(lián)組成PACK。 Cells per module每個(gè)模組的電芯個(gè)數(shù)，Cells in parallel每個(gè)模組的電芯并聯(lián)數(shù)，Modules in a row在PACK中串聯(lián)的模組數(shù)，Number of rows of modules in a pack在PACK中的模組串聯(lián)數(shù)。

Energy requirement of vehicle on UDDS cycle (default = 250), Wh/mile，美國(guó)UDDS標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的工況條件下電動(dòng)汽車的能量要求，默認(rèn)值250Wh/mile。

Pack capacity (Ah)，Pack energy (kWh)和Vehicle range (miles)，Pack容量、能量或者汽車?yán)锍?，三者任填一個(gè)。

Stacking，電芯的疊片形式，分為兩種傳統(tǒng)的鋰電池形式和雙極板串聯(lián)式。 如下圖所示，傳統(tǒng)形式由正極極片、隔膜和負(fù)極組成基本單元，然后電芯是由幾個(gè)基本單元并聯(lián)組成的; 雙極板形式是雙極板集流體一側(cè)為正極、一側(cè)為負(fù)極，依次串聯(lián)組成電芯。 雙極板形式減少了集流體數(shù)量，節(jié)省了電池內(nèi)部空間，能量密度更高。

而且雙極板形式，集流體中電流傳輸方向?yàn)榧黧w厚度方向，傳輸距離比傳統(tǒng)形式更短，電阻更低。

第三步，輸入以上參數(shù)，該工具自動(dòng)計(jì)算電池和電池組的設(shè)計(jì)參數(shù)和性能參數(shù) ，具體包括：

下圖是采用該工具設(shè)計(jì)的固態(tài)電池實(shí)例，Materials和Cathode design是輸入?yún)?shù)，其他采用默認(rèn)值，后面的就是自動(dòng)計(jì)算的數(shù)值，列出了正極的厚度、重量，電池質(zhì)量、體積、能量密度等。

下圖展示了電解質(zhì)厚度和N/P比值對(duì)電池性能的影響，以及不同電解質(zhì)采用傳統(tǒng)電池疊片設(shè)計(jì)和雙極板設(shè)計(jì)的能量密度對(duì)比。

審核編輯：湯梓紅