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锂离子电池多孔电极模型的渐近简化。 (英语) Zbl 1419.78011号

总结:我们提出了一个使用Butler-Volmer反应动力学的锂离子电池多孔电极模型。我们对固相和液相的锂浓度以及固体和液体电势进行了建模。通过渐近约简,我们证明了电势在空间上是均匀的,这将问题解耦为一系列与时间相关的问题。这些问题可以在三个不同的时间尺度上解决:电极中电容效应占主导地位的早期时间尺度,电解液中形成空间浓度梯度的中期时间尺度,以及每个电极分别饱和和耗尽锂的长期时间尺度。固相浓度分布是时间的线性函数,电解质电势处处为零,这使得模型可以简化为两个不耦合的常微分方程组。将分析和数值结果与全数值模拟和实验放电曲线,显示出极好的一致性。

MSC公司:

78A57型 电化学
34E10型 常微分方程解的扰动、渐近性
34公里26 泛函微分方程的奇异摄动
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参考文献:

[1] S.Abada、G.Marlair、A.Lecocq、M.Petit、V.Sauvant-Moynot和F.Huet,以安全为中心的锂离子电池建模:综述《电源杂志》,306(2016),第178-192页。
[2] P.Amiribavandpour、W.Shen、D.Mu和A.Kapoor,电动汽车锂离子电池组的改进理论电化学-热模型《J.Power Sources》,第284页(2015年),第328-338页。
[3] Z.An、L.Jia、L.Wei、C.Dang和Q.Peng,基于电化学-热耦合模型的锂离子电池电化学和热特性研究,申请。热量。《工程》,137(2018),第792-807页。
[4] J.Bear,多孔介质中流体的动力学,Courier Corporation,纽约,1972年·Zbl 1191.76001号
[5] P.Biesheuvel和M.Bazant,多孔电极电容充电和脱盐的非线性动力学,物理。E版,81(2010),031502。
[6] P.Biesheuvel、Y.Fu和M.Z.Bazant,多孔电极中的扩散电荷和法拉第反应,物理。E版,83(2011),061507。
[7] J.Chakraborty、C.P.Please、A.Goriely和S.J.Chapman,锂离子电池中圆柱形电极颗粒变形和失效的机械和化学综合效应《国际固体结构杂志》。,54(2015),第66-81页。
[8] S.S.Choi和H.S.Lim,影响LiCoO2基锂离子电池循环寿命的因素及可能的降解机制《电源杂志》,111(2002),第130-136页。
[9] D.A.Cogswell和M.Z.Bazant,lifepo4电池颗粒的尺寸依赖性相形态《电化学通讯》,95(2018),第33-37页。
[10] S.Dargaville和T.W.Farrell,用多尺度数学模型预测LiFePO4电极中活性物质的利用率,J.电化学。Soc.,157(2010),第A830-A840页。
[11] M.Doyle、T.F.Fuller和J.Newman,锂/聚合物/插入电池的恒电流充电和放电建模,J.电化学。《社会学杂志》,140(1993),第1526-1533页。
[12] M.Doyle和J.Newman,使用放电过程简化模型分析锂电池的电容率数据《应用电化学杂志》,27(1997),第846-856页。
[13] T.W.Farrell、C.P.拜托,D.McElwain和D.Swinkels,初级碱性电池阴极的三尺度模型,J.电化学。《社会学杂志》,147(2000),第4034-4044页。
[14] T.R.Ferguson和M.Z.Bazant,多孔电极的非平衡热力学,J.电化学。Soc.,159(2012),第A1967-A1985页。
[15] T.R.Ferguson和M.Z.Bazant,多孔电池电极中的相变动力学《电子化学学报》,146(2014),第89-97页。
[16] J.M.Foster、S.J.Chapman、G.Richardson和B.Protas,锂离子电极中粘结剂机械诱发劣化的数学模型,SIAM J.应用。数学。,77(2017),第2172-2198页,https://doi.org/10.1137/16M1086595。 ·Zbl 1386.74037号
[17] A.C.福勒,应用科学中的数学模型,剑桥文本应用。数学。17,剑桥大学出版社,1997年。
[18] T.F.Fuller、M.Doyle和J.Newman,双锂离子插入电池的模拟与优化,J.电化学。Soc.,141(1994),第1-10页。
[19] P.M.Gomadam、J.W.Weidner、R.A.Dougal和R.E.White,锂离子和镍电池系统的数学建模《电源杂志》,110(2002),第267-284页。
[20] A.Guduru、P.W.Northrop、S.Jain、A.C.Crothers、T.R.Marchant和V.R.Subramanian,锂离子电池电解液浓度分布的解析解,J.应用。电化学。,42(2012),第189-199页。
[21] F.He、P.Biesheuvel、M.Z.Bazant和T.A.Hatton,氧化还原活性多孔电极电容去离子水处理理论《水资源研究》,132(2018),第282-291页。
[22] J.Johansen、T.W.Farrell和C.P.请,碱性初级电池阴极的建模:简化模型《电源杂志》,156(2006),第645-654页。
[23] A.Johnson和J.Newman,多孔碳电极脱盐,J.电化学。Soc.,118(1971),第510-517页。
[24] 卡维尼先生,多孔介质中的传热原理,施普林格出版社,纽约,2012年。
[25] T.Kennedy、M.Brandon、F.Laffir和K.M.Ryan,了解电解液添加剂对硅纳米线基锂离子电池阳极电化学性能和形态演变的影响《电源杂志》,359(2017),第601-610页。
[26] T.Kennedy、E.Mullane、H.Geaney、M.Osiak、C.ODwyer和K.M.Ryan,通过原位形成连续多孔网络,高性能锗纳米线锂离子电池阳极可延长1000个循环、Nano Lett.、。,14(2014),第716-723页。
[27] S.A.Krachkovskiy、J.M.Foster、J.D.Bazak、B.J.Balcom和G.R.Goward,利用磁共振成像和核磁共振波谱对石墨电极中锂浓度分布和相变的操作标绘《物理学杂志》。化学。C、 122(2018),第21784-21791页。
[28] J.Li、Y.Cheng、M.Jia、Y.Tang、Y.Lin、Z.Z.Zhang和Y.Liu,基于动态响应的磷酸铁锂电池电化学-热模型《电源杂志》,255(2014),第130-143页。
[29] Y.Li、F.El Gabaly、T.R.Ferguson、R.B.Smith、N.C.Bartelt、J.D.Sugar、K.R.Fenton、D.A.Cogswell、A.D.Kilcoyne、T.Tyliszczak、M.Z.Bazant和W.C.Chueh,相分离电池电极中电流诱导的从颗粒到同时嵌入的转变,国家材料。,13(2014),第1149-1156页。
[30] J.Lim、Y.Li、D.H.Alsem、H.So、S.C.Lee、P.Bai、D.A.Cogswell、X.Liu、N.Jin、Y.-S.Yu、N.J.Salmon、D.A.Shapiro、M.Z.Bazant、T.Tyliszczak和W.C.Chueh,电池初级粒子中锂组分空间动力学的起源和滞后《科学》,353(2016),第566-571页。
[31] M.Mirzadeh、F.Gibou和T.M.Squires,多孔电极的增强充电动力学:作为短路机制的表面传导,物理。修订稿。,113 (2014), 097701.
[32] J.Newman和K.E.Thomas-Alyea,电化学系统第三版,John Wiley&Sons,新泽西州霍博肯,2004年。
[33] J.Newman和W.Tiedemann,多孔电极理论与电池应用AIChE J.,21(1975),第25-41页。
[34] J.S.Newman和C.W.Tobias,多孔电极电流分布的理论分析,J.电化学。Soc.,109(1962),第1183-1191页。
[35] I.J.Ong和J.Newman,双锂离子插入电池的双层电容,J.电化学。Soc.,146(1999),第4360-4365页。
[36] B.Orvananos、T.R.Ferguson、H.-C.Yu、M.Z.Bazant和K.Thornton,纳米颗粒相分离锂离子电池电极充放电行为的颗粒级建模,J.电化学。Soc.,161(2014),第A535-A546页。
[37] M.B.Pinson和M.Z.Bazant,充电电池SEI形成理论:容量衰减、加速老化和寿命预测,J.电化学。Soc.,160(2013),第A243-A250页。
[38] V.Ramadesigan、P.W.诺斯罗普、S.De、S.Santhanagopalan、R.D.Braatz和V.R.Subramanian,从系统工程的角度对锂离子电池进行建模与仿真,J.电化学。Soc.,159(2012),第31-R45页。
[39] R.拉诺,锂离子电池的数学建模2014年,英国南安普顿大学博士论文。
[40] G.Richardson、G.Denuault和C.P.请,锂离子电池充放电的多尺度建模与分析,J.工程数学。,72(2012),第41-72页·Zbl 1254.78026号
[41] G.Richardson和J.R.King,电化学电池的时间相关建模和渐近分析,J.工程数学。,59(2007),第239-275页·Zbl 1125.92066号
[42] M.Safari和C.Delacourt,磷酸铁锂电极的数学建模:恒电流充放电和路径依赖,J.电化学。Soc.,158(2011),第A63-A73页。
[43] M.Safari和C.Delacourt,商用石墨/LiFePO\textup4电池的建模,J.电化学。Soc.,158(2011),第A562-A571页。
[44] A.K.Sethurajan、S.A.Krachkovskiy、I.C.Halalay、G.R.Goward和B.Protas,利用原位核磁共振成像和逆模型精确表征二元对称电解质中的离子传输特性《物理学杂志》。化学。B、 119(2015),第12238-12248页。
[45] K.Singh、H.Bouwmeester、L.de Smet、M.Bazant和P.Biesheuvel,夹层材料海水淡化理论,物理。修订申请。,9 (2018), 064036.
[46] R.B.Smith和M.Z.Bazant,多相多孔电极理论,J.电化学。Soc.,164(2017),第E3291-E3310页。
[47] R.B.Smith、E.Khoo和M.Z.Bazant,多相层状材料的插层动力学《物理学杂志》。化学。C、 121(2017),第12505-12523页。
[48] V.Srinivasan和J.Newman,磷酸铁锂电极的放电模型,J.电化学。Soc.,151(2004),第A1517-A1529页。
[49] K.Stokes、H.Geaney、G.Flynn、M.Sheehan、T.Kennedy和K.M.Ryan,直接合成合金化Si\textup1-xgex纳米线用于性能不稳定的锂离子电池阳极ACS Nano,11(2017),第10088-10096页。
[50] J.-M.Tarascon和M.Armand,充电锂电池面临的问题和挑战《自然》,414(2001),第359-367页。
[51] K.E.Thomas-Alyea、C.Jung、R.B.Smith和M.Z.Bazant,石墨中锂分布的原位观测和数学建模,J.电化学。Soc.,164(2017),第E3063-E3072页。
[52] L.O.Valöen和J.N.Reimers,LiPF\textup6基锂离子电池电解质的传输特性,J.电化学。《社会学杂志》,152(2005),第A882-A891页。
[53] Q.Wang、P.Ping、X.Zhao、G.Chu、J.Sun和C.Chen,锂离子电池热失控引发火灾和爆炸,《能源杂志》,208(2012),第210-224页。
[54] S.Whitaker,多孔介质中流体运动理论的进展,工业工程化学。,61(1969),第14-28页。
[55] R.Zhao、J.Liu和J.Gu,锂离子电池短路仿真与实验研究《应用能源》,173(2016),第29-39页。
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