锂离子电池电极涂层结构与充放电过程的分散建模与优化

Electrode coatings of Li-ion batteries have multi-scale channels for Li-ion diffusion when active electrode materials in nano sizes have been used in the coatings. In this case, how to quantify the effects of Li-ion diffusion at different length scales on the overall performance of the electrodes and optimize the multi-scale structures of electrode coatings becomes a key problem for the development of active nanomaterials for electrodes and the design of the structure of electrode coatings. In this proposal we will simulate the charge/discharge in electrodes of Li-ion batteries, quantify the effects of multi-scale structures of electrode coatings on the overall performance of electrodes, identify the relative significance of Li-ion diffusion at different length scales, and optimize the multi-scale structures of electrode coatings with the overall performance of electrodes as the objective. The results should serve to guide the synthesis of electrode active materials and the manufacturing of electrode coatings, and provide a fundamental model for battery management system.

锂离子电池电极活性材料纳米化后，电极涂层将具有多尺度锂离子传递通道结构。如何量化不同尺度锂离子传递过程对整个电极性能的影响，优化电极涂层的多尺度结构，是纳米电极活性材料开发和电极涂层设计与优化的一个关键问题。本项目采用分散模型模拟锂离子电池电极充放电过程，量化电极涂层多尺度结构对电极综合性能的影响，认识不同尺度锂离子扩散过程的重要性，并以电极的综合性能为优化目标，优化电极涂层的多尺度结构。研究结果可用于指导电极活性材料开发和电极涂层的结构设计与优化，也可为锂离子电池管理系统提供可靠的机理模型。

目前，提升锂离子电池性能的主要方法包括开发新的电池材料和优化电极涂层结构。本项目针对典型的锂离子电池电极（如磷酸铁锂和钴酸锂电极），建立描述其中传质和电化学反应过程的数学模型，认识电极涂层多级结构与电池性能之间的构-效关系，设计优化电极涂层的多尺度结构，并在实验中制备这些较优的电极涂层。取得的重要进展和结果如下：. （1）建立了电极涂层的二维均相模型和异构模型，利用这些数学模型认识了孔径、孔隙率、活性材料粒径等电极结构对电池性能的影响，发现活性材料粒径的非均匀性对电池性能影响很大；. （2）基于二维均相模型和有效曲折因子，开发了一套快速优化电极涂层孔道结构的优化方法，电极涂层经过优化后，在较高的放电倍率下，能量密度可以有大幅度的提升；. （3）提出了一种纤维模板制备含直形孔电极涂层的方法，在实验室中成功制备了含直形孔的电极涂层，相比于普通电极性能明显提升。. 本项目共发表论文7篇，申请中国发明专利1件，培养博士后2人，研究生7人。本项目为锂离子电池电极涂层的结构设计提供模型工具和优化方法，同时还提供了一种较优电极涂层的实验制备方法。