基于COMSOL的锂电池离子电导率仿真研究

近年来，新能源汽车在全球蓬勃发展，锂离子电池的性能已成为新能源汽车行业发展的关键因素。倍率性能是锂离子电池非常重要的性能指标之一，而离子电导率就是影响倍率性能的主要参数。故本文主要从离子电导率对锂离子电池性能影响的角度出发，基于多物理场仿真软件COMSOL中的电化学与电池模块，建立了多孔电极及锂离子电池模型。模拟了离子在多孔电极中的有效传输，并仿真分析了锂离子电池的离子电导率对不同倍率放电时的放电容量、电池极化和内阻以及锂离子传输速率的影响。仿真结果显示，锂离子电池的离子电导率对锂离子电池电化学性能的性能影响较大，并且较高的离子电导率会改善锂离子电池的电化学性能。

多年来，研究者们为改善锂离子电池的性能所做的不懈努力和研究使锂离子电池在便携式二次电池市场上发挥了主导作用[1]。随着人们生活节奏的加快和品质的提升，人们对寿命更长、容量更大并且可快速充电和大功率放电的动力锂离子电池产品的需求越来越大，与此同时对于锂离子电池性能的要求也越来越高[2]。

为了推动锂离子电池的发展，研究人员通过各种方法去设法改进锂电池的性能，如：通过开发新的电极活性材料来提高电池容量[3] [4]；通过热处理、碳包覆等方法使电极材料的电子导电性增强，进而提高电池的倍率性能[5]；通过电极微结构设计减小锂电池的内阻来减少电池极化，提升使用寿命[6]；通过离子掺杂等方法提高离子电导率进而提高锂离子扩散速率，提升电池充放电性能等等[7]。其中通过提高离子电导率来提升锂离子电池性能的方法在新型的水性电解液体系电池、厚电极电池以及固态锂电池领域研究非常广泛。

Lu 等[8]通过研究天然木材中水分子传输导管的运输水分子的机理， 并将其运用到锂电池电极制作中，使用铸模法将电极相关材料注入天然木材中，该电极相对于对照组具有更高的离子电导率，在测试中表现良好的倍率性能，并且该团队对离子导电性对电池性能的影响做了进一步研究。Zhang等[9]设计了一种r(Go)/TiO2 功能层级电极来提升电极的离子电导率进而提升电极中的锂离子扩散速率， 该电极在高倍率时表现出了良好的电化学性能，在20 C 时展现出128 mAh/g 的比容量。

在很多文献中，对不同锂离子电导率对锂离子电池的性能影响的分析仅仅是基于实验结果，只对电池的外部特性进行了分析，而少有人去探究不同离子电导率的电池的内部电化学反应过程。然而后者的研究对于理解锂离子电池的电化学过程和电极动力学过程具有非常重要的意义，对于改善锂离子电池性能的研究具有很高的参考价值与一定的指导作用。本文在微观层面对多孔电极进行建模，通过三维模型仿真了电极中锂离子的扩散过程， 并在电极层面上对不同离子电导率的锂电池的电化学性能进行了研究， 从电化学模型中的倍率放电性能、电解质盐浓度、活性粒子表面锂离子浓度、电解液电势和极化电压这几个关键性能参数深入地分析了锂离子电池的离子电导率对其电化学性能的影响。研究结果均与实验结果进行了对照，具有一定的准确性。