优化电池正极参数的方法、电池设计方法及计算机设备与流程
本申请涉及电池领域，特别是涉及一种优化电池正极参数的方法、电池设计方法及计算机设备。
背景技术：
锂离子电池凭借其高能量密度、长循环寿命以及高放电电压等优势，广泛应用于3c电子、电动交通及储能电站等领域，随着锂离子电池技术的持续发展，客户对锂离子电池的各项性能指标提出了更高的需求。
传统技术方案中，以正极活性材料颗粒半径、正极固相体积分数、正极涂覆厚度为设计参数(取值范围基于电极合理设计限定条件)，以能量密度或功率密度为目标函数，建立机理性的电化学-热耦合模型，并将仿真结果实时引入到优化模块，优化模块计算得到的迭代值反馈到电化学-热耦合模型，通过优化算法反复迭代直至目标函数取得最大值、获得最优设计方案。利用传统技术方案得到的结果随着电池放电倍率增大，正极-集流体界面区域会出现液相锂离子浓度为0的情况，使得电池放电容量骤降。
技术实现要素：
基于此，本申请提供一种优化电池正极参数的方法、电池设计方法及计算机设备，可以在多参数协同优化前根据实际放电电流需求，筛选与液相传输有关的正极参数，以避免液相锂离子浓度为0情况的出现，防止因液相传输限制导致电池放电容量骤降。
一种优化电池正极参数的方法，包括：
获取电池参数，并建立数值模型；
根据所述数值模型，获取正极-集流体界面液相锂离子浓度刚好为零时的放电电流值，作为极限扩散电流仿真值，并记录所述数值模型对应的电池正极参数；
获取极限扩散电流表达式，并将所述数值模型对应的所述电池正极参数输入至所述极限扩散电流表达式，得到第一极限扩散电流估计值；
根据所述第一极限扩散电流估计值和所述极限扩散电流仿真值，获得固相传输修正值；
将待选设计方案中的电池正极参数输入至所述极限扩散电流表达式，得到第二极限扩散电流估计值；
根据所述第二极限扩散电流估计值和所述固相传输修正值的差值，获得所述待选设计方案中的所述电池正极参数对应的极限扩散电流修正值；
获得实际需求放电电流，并利用所述实际需求放电电流与所述极限扩散电流修正值比较，确定所述电池正极参数的取值范围。
在其中一个实施例中，根据所述数值模型，获取正极-集流体界面液相锂离子浓度刚好为零时的放电电流值，作为极限扩散电流仿真值的步骤包括：
以放电倍率为变量，以所述正极-集流体界面液相锂离子浓度刚好为零为目标，对所述数值模型进行计算。
在其中一个实施例中，所述极限扩散电流表达式为：
其中，f为法拉第常数，l、ε分别为厚度、孔隙率，下标pos、sep分别表示正极、隔膜，
在其中一个实施例中，获得实际需求放电电流的步骤包括：
根据设计容量及实际放电需求计算所述实际需求放电电流。
在其中一个实施例中，当所述实际需求放电电流大于所述极限扩散电流修正值时，将相应的待选设计方案标记为第一类方案；当所述实际需求放电电流小于或者等于所述极限扩散电流修正值时，将相应的待选设计方案标记为第二类方案，所述第二类方案中的电池正极参数的集合为所述电池正极参数的取值范围。
在其中一个实施例中，所述数值模型为电化学模型、热-电化学模型或者机械-热-电化学模型中的一种。
一种电池设计方法，包括：
获取电池参数，并建立数值模型；
根据所述数值模型，获取正极-集流体界面液相锂离子浓度刚好为零时的放电电流值，作为极限扩散电流仿真值，并记录所述数值模型对应的电池正极参数；
获取极限扩散电流表达式，并将所述数值模型对应的所述电池正极参数输入至所述极限扩散电流表达式，得到第一极限扩散电流估计值；
根据所述第一极限扩散电流估计值和所述极限扩散电流仿真值，获得固相传输修正值；
将待选设计方案中的电池正极参数输入至所述极限扩散电流表达式，得到第二极限扩散电流估计值；
根据所述第二极限扩散电流估计值和所述固相传输修正值的差值，获得所述待选设计方案中的所述电池正极参数对应的极限扩散电流修正值；
获得实际需求放电电流，并利用所述实际需求放电电流与所述极限扩散电流修正值比较，确定所述电池正极参数的取值范围；
将所述电池正极参数的取值范围作为约束，利用多参数协同方法确定性能指标的最优值，其对应的设计参数即为最优设计方案。
在其中一个实施例中，所述多参数协同方法包括：
以所述电池性能指标最大为优化目标，以设计变量为优化变量，在电极合理设计限定条件下，确立所述优化变量的取值范围内，通过梯度优化算法对所述数值模型进行计算。
在其中一个实施例中，当所述实际需求放电电流大于所述极限扩散电流修正值时，将相应的待选设计方案标记为第一类方案；当所述实际需求放电电流小于或者等于所述极限扩散电流修正值时，将相应的待选设计方案标记为第二类方案，所述第二类方案中的电池正极参数的集合为所述电池正极参数的取值范围。
一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述实施例中任一项所述的电池设计方法的步骤。
上述优化电池正极参数的方法，包括获取电池参数，并建立数值模型。根据所述数值模型，获取正极-集流体界面液相锂离子浓度刚好为零时的放电电流值，作为极限扩散电流仿真值，并记录所述数值模型对应的电池正极参数。获取极限扩散电流表达式，并将所述数值模型对应的所述电池正极参数输入至所述极限扩散电流表达式，得到第一极限扩散电流估计值。根据所述第一极限扩散电流估计值和所述极限扩散电流仿真值，获得固相传输修正值。将待选设计方案中的电池正极参数输入至所述极限扩散电流表达式，得到第二极限扩散电流估计值。根据所述第二极限扩散电流估计值和所述固相传输修正值的差值，获得所述待选设计方案中的所述电池正极参数对应的极限扩散电流修正值。获得实际需求放电电流，并利用所述实际需求放电电流与所述极限扩散电流修正值比较，确定所述电池正极参数的取值范围。上述方法通过仿真结合极限扩散电流表达式获得固相传输修正值，并利用极限扩散电流表达式结合固相传输修正值得到极限扩散电流修正值，进而通过实际需求放电电流与所述极限扩散电流修正值比较，筛选与液相传输有关的正极参数，以避免液相锂离子浓度为0情况的出现，防止因液相传输限制导致电池放电容量骤降。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请一个实施例提供的优化电池正极参数的方法流程图；
图2为本申请另一个实施例提供的电池设计方法的流程图；
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。
可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一获取模块称为第二获取模块，且类似地，可将第二获取模块称为第一获取模块。第一获取模块和第二获取模块两者都是获取模块，但其不是同一个获取模块。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
锂离子电池放电过程中，锂离子由负极活性物质颗粒内部扩散到表面发生电化学反应进入负极电解液中，在扩散与电迁移(一般忽略对流作用)的作用下，穿过隔膜向正极电解液移动，在正极活性物质颗粒表面发生电化学反应，并向正极颗粒内部扩散。
上述过程中，锂离子沿厚度方向形成浓度梯度，正极/集流体界面为电池内部液相锂离子浓度最小值区域。随着电池放电电流增大，该区域会出现液相锂离子浓度为0的情况，使电池放电容量骤降，此时的情况为极限扩散情况，此时的放电电流为极限扩散电流。
为了避免极限扩散情况的发生，请参见图1，本申请提供一种优化电池正极参数的方法。所述优化电池正极参数的方法包括：
s10，获取电池参数，并建立数值模型。
步骤s10中，所述电池参数包括电池设计参数，所述电池参数还包括电极材料的动力学参数、电极材料的热物性参数及电极材料的机械性参数中的一种或多种。可实施地，根据设计需求(额定容量、外形尺寸、活性物质种类及配比、n/p比)及设计参数(正负极孔隙率、正负极厚度)，适量选取设计参数取值，确定待选设计方案。此步骤中，可以认为活性物质粒径及动力学参数来源于材料商，为已知量，仅正极厚度、负极厚度、正极孔隙率和负极孔隙率为变量。
所述数值模型保证电池厚度方向上具有浓度梯度，所述数值模型为电化学模型、热-电化学模型或者机械-热-电化学模型中的一种。且所述数值模型适用于一维、二维、三维模型。
可实施地，所述数值模型为电化学模型。所述电化学模型的建立步骤可以为，建立包括负极集流体、负极、隔膜、正极和正极集流体五部分的一维几何模型，在一维几何模型上加载放电过程的微分或者偏微分方程，并进行网格剖分，计算描述放电过程的微分或偏微分方程，得到在不同设计方案下电池的放电电压曲线束。
s20，根据所述数值模型，获取正极-集流体界面液相锂离子浓度刚好为零时的放电电流值，作为极限扩散电流仿真值，并记录所述数值模型对应的电池正极参数。
步骤s20中，所述电池正极参数为正极厚度和正极孔隙率。在其中一个可选的实施例中，以放电倍率为变量，以所述正极-集流体界面液相锂离子浓度刚好为零为目标，对所述数值模型进行计算。通过反复仿真迭代即可得到所述极限扩散电流仿真值。
s30，获取极限扩散电流表达式，并将所述数值模型对应的所述电池正极参数输入至所述极限扩散电流表达式，得到第一极限扩散电流估计值。
步骤s30中，在其中一个实施例中，所述极限扩散电流表达式可以为：
其中，f为法拉第常数，l、ε分别为厚度、孔隙率，下标pos、sep分别表示正极、隔膜，
可以通过材料商、文献引用或数据拟合获得液相扩散系数，以确定液相扩散系数关于浓度的积分项，进而获取所述极限扩散电流表达式。c0为液相锂离子初始浓度，温度t可以取25℃。液相扩散系数的表达形式可为多项式或曲线(曲面)。液相扩散系数的表达形式为多项式时，可以通过直接积分确定液相扩散系数关于浓度的积分项。液相扩散系数的表达形式为曲线(曲面)时，需要借助计算机进行数值积分确定液相扩散系数关于浓度的积分项。
可以理解的是，所述极限扩散电流表达式并不限制于上述表达方式，还可以是其它形式，例如对上述表达式进行修正、简化等均在本申请的保护范围内。
s40，根据所述第一极限扩散电流估计值和所述极限扩散电流仿真值，获得固相传输修正值。
步骤s40中，电池内部传输过程可分为固相传输和液相传输两部分，极限扩散情况是两部分综合作用的结果。考虑到电池设计时活性物质粒径及动力学参数一般为给定值，因此极限扩散情况下固相传输差异较小，可假设为定值。而厚度、孔隙率等设计参数主要影响电池液相传输性能，导致液相锂离子浓度差异。利用仿真和公式结合可以修正固相传输的影响。所述固相传输修正值为所述第一极限扩散电流估计值和所述极限扩散电流仿真值的差值。可选地，本方法中，可以通过一次仿真计算和一次公式计算，确定所述固相传输修正值。当然也可以获取多个固相传输修正值，对多个固相传输修正值进行数据处理(例如可以取平均)后，以确定最终固相传输修正值。
s50，将待选设计方案中的电池正极参数输入至所述极限扩散电流表达式，得到第二极限扩散电流估计值。
s60，根据所述第二极限扩散电流估计值和所述固相传输修正值的差值，获得所述待选设计方案中的所述电池正极参数对应的极限扩散电流修正值。
s70，获得实际需求放电电流，并利用所述实际需求放电电流与所述极限扩散电流修正值比较，确定所述电池正极参数的取值范围。
步骤s70中，在其中一个可选的实施例中，获得实际需求放电电流的方法为，根据设计容量及实际放电需求(放电倍率)计算所述实际需求放电电流。所述实际需求放电电流为设计容量与实际放电需求(放电倍率)乘积。
在其中一个可选的实施例中，当所述实际需求放电电流大于所述极限扩散电流修正值时，将相应的待选设计方案标记为第一类方案。当所述实际需求放电电流小于或者等于所述极限扩散电流修正值时，将相应的待选设计方案标记为第二类方案，所述第二类方案中的电池正极参数的集合为所述电池正极参数的取值范围。所述第一类方案在放电过程中会出现液相锂离子浓度等于0的情况，因此将此舍去。所述第二类方案不会出现液相锂离子浓度等于0的情况。
上述优化电池正极参数的方法，包括获取电池参数，并建立数值模型。根据所述数值模型，获取正极-集流体界面液相锂离子浓度刚好为零时的放电电流值，作为极限扩散电流仿真值，并记录所述数值模型对应的电池正极参数。获取极限扩散电流表达式，并将所述数值模型对应的所述电池正极参数输入至所述极限扩散电流表达式，得到第一极限扩散电流估计值。根据所述第一极限扩散电流估计值和所述极限扩散电流仿真值，获得固相传输修正值。将待选设计方案中的电池正极参数输入至所述极限扩散电流表达式，得到第二极限扩散电流估计值。根据所述第二极限扩散电流估计值和所述固相传输修正值的差值，获得所述待选设计方案中的所述电池正极参数对应的极限扩散电流修正值。获得实际需求放电电流，并利用所述实际需求放电电流与所述极限扩散电流修正值比较，确定所述电池正极参数的取值范围。上述方法通过仿真获得固相传输修正值，并利用极限扩散电流表达式结合固相传输修正值得到极限扩散电流修正值，进而通过实际需求放电电流与所述极限扩散电流修正值比较，筛选与液相传输有关的正极参数，以避免液相锂离子浓度为0情况的出现，防止因液相传输限制导致电池放电容量骤降。
在一个实施例中，本申请提供一种优化电池正极参数的方法。本实施例以锂离子软包电池为设计对象，设计容量为41ah，正极活性物质为ncm523，负极活性物质为石墨，实际需求连续放电倍率为2c。
第一步：根据实际需求放电电流为设计容量与实际放电需求(放电倍率)乘积，计算可得实际需求放电电流为82a。
第二步：本实施例中液相扩散系数的表达形式为多项式，如下所示
式中dl为液相扩散系数，单位为m2/s，t为温度，单位为℃，ce为液相锂离子浓度，单位为mol/l。温度t取25℃，计算液相扩散系数关于浓度的积分项等于2.118*10-7。
第三步：表1为本实施例的待选设计方案，除表中四个设计参数外，其他参数均相同。本实施例选取待选设计方案8中的设计参数建立三维热-电化学模型，通过反复仿真迭代得到极限扩散电流仿真值等于71.75a。
表1
第四步：将待选设计方案8中的正极厚度、正极孔隙率以及隔膜厚度、隔膜孔隙率代入极限扩散电流表达式
其中，隔膜厚度取20μm，隔膜孔隙率取50％。进一步计算固相传输修正值等于11.63a。
第五步：根据固相传输部分修正后的极限扩散电流表达式
计算各待选设计方案修正后的极限扩散电流，如表2所示
表2
待选设计方案5、6、7、8满足所述实际需求放电电流大于所述极限扩散电流修正值，说明为满足实际放电需求，对应设计方案放电过程中会出现液相锂离子浓度等于0的情况，因此需要舍去；
待选设计方案1、2、3、4、9满足所述实际需求放电电流小于或者等于所述极限扩散电流修正值，说明为满足实际放电需求，对应设计方案放电过程中不会出现液相锂离子浓度等于0的情况，设计方案可以保留。筛选后的设计方案见表3。
表3
请参见图2，本申请提供一种电池设计方法。所述电池设计方法包括：
s10，获取电池参数，并建立数值模型。
步骤s10中，所述电池参数包括电池设计参数，所述电池参数还包括电极材料的动力学参数、电极材料的热物性参数及电极材料的机械性参数中的一种或多种。可实施地，根据设计需求(额定容量、外形尺寸、活性物质种类及配比、n/p比)及设计参数(正负极孔隙率、正负极厚度)，适量选取设计参数取值，确定待选设计方案。此步骤中，可以认为活性物质粒径及动力学参数来源于材料商，为已知量，仅正极厚度、负极厚度、正极孔隙率和负极孔隙率为变量。
所述数值模型保证电池厚度方向上具有浓度梯度，所述数值模型为电化学模型、热-电化学模型或者机械-热-电化学模型中的一种。且所述数值模型适用于一维、二维、三维模型。
可实施地，所述数值模型为电化学模型。所述电化学模型的建立步骤可以为，建立包括负极集流体、负极、隔膜、正极和正极集流体五部分的一维几何模型，在一维几何模型上加载放电过程的微分或者偏微分方程，并进行网格剖分，计算描述放电过程的微分或偏微分方程，得到在不同设计方案下电池的放电电压曲线束。
s20，根据所述数值模型，获取正极-集流体界面液相锂离子浓度刚好为零时的放电电流值，作为极限扩散电流仿真值，并记录所述数值模型对应的电池正极参数。
步骤s20中，所述电池正极参数为正极厚度和正极孔隙率。在其中一个可选的实施例中，以放电倍率为变量，以所述正极-集流体界面液相锂离子浓度刚好为零为目标，对所述数值模型进行计算。通过反复仿真迭代即可得到所述极限扩散电流仿真值。
s30，获取极限扩散电流表达式，并将所述数值模型对应的所述电池正极参数输入至所述极限扩散电流表达式，得到第一极限扩散电流估计值。
步骤s30中，在其中一个实施例中，所述极限扩散电流表达式可以为：
其中，f为法拉第常数，l、ε分别为厚度、孔隙率，下标pos、sep分别表示正极、隔膜，
可以通过材料商、文献引用或数据拟合获得液相扩散系数，以确定液相扩散系数关于浓度的积分项，进而获取所述极限扩散电流表达式。c0为液相锂离子初始浓度，温度t可以取25℃。液相扩散系数的表达形式可为多项式或曲线(曲面)。液相扩散系数的表达形式为多项式时，可以通过直接积分确定液相扩散系数关于浓度的积分项。液相扩散系数的表达形式为曲线(曲面)时，需要借助计算机进行数值积分确定液相扩散系数关于浓度的积分项。
可以理解的是，所述极限扩散电流表达式并不限制于上述表达方式，还可以是其它形式，例如对上述表达式进行修正、简化等均在本申请的保护范围内。
s40，根据所述第一极限扩散电流估计值和所述极限扩散电流仿真值，获得固相传输修正值。
步骤s40中，电池内部传输过程可分为固相传输和液相传输两部分，极限扩散情况是两部分综合作用的结果。考虑到电池设计时活性物质粒径及动力学参数一般为给定值，因此极限扩散情况下固相传输差异较小，可假设为定值。而厚度、孔隙率等设计参数主要影响电池液相传输性能，导致液相锂离子浓度差异。利用仿真和公式结合可以修正固相传输的影响。所述固相传输修正值为所述第一极限扩散电流估计值和所述极限扩散电流仿真值的差值。可选地，本方法中，可以通过一次仿真计算和一次公式计算，确定所述固相传输修正值。当然也可以获取多个固相传输修正值，对多个固相传输修正值进行数据处理(例如取平均)后，以确定最终固相传输修正值。
s50，将待选设计方案中的电池正极参数输入至所述极限扩散电流表达式，得到第二极限扩散电流估计值。
s60，根据所述第二极限扩散电流估计值和所述固相传输修正值的差值，获得所述待选设计方案中的所述电池正极参数对应的极限扩散电流修正值。
s70，获得实际需求放电电流，并利用所述实际需求放电电流与所述极限扩散电流修正值比较，确定所述电池正极参数的取值范围。
步骤s70中，在其中一个可选的实施例中，获得实际需求放电电流的方法为，根据设计容量及实际放电需求(放电倍率)计算所述实际需求放电电流。所述实际需求放电电流为设计容量与实际放电需求(放电倍率)乘积。
在其中一个可选的实施例中，当所述实际需求放电电流大于所述极限扩散电流修正值时，将相应的待选设计方案标记为第一类方案。当所述实际需求放电电流小于或者等于所述极限扩散电流修正值时，将相应的待选设计方案标记为第二类方案，所述第二类方案中的电池正极参数的集合为所述电池正极参数的取值范围。所述第一类方案在放电过程中会出现液相锂离子浓度等于0的情况，因此将此舍去。所述第二类方案不会出现液相锂离子浓度等于0的情况。
s80，将所述电池正极参数的取值范围作为约束，利用多参数协同方法确定性能指标的最优值，其对应的设计参数即为最优设计方案。
步骤s80中，可以将表三中的所述电池正极参数的取值范围作为约束，利用多参数协同方法即可进一步找到性能指标的最优值，其对应的设计参数即为最优设计方案。
在其中一个实施例中，所述多参数协同方法为，以所述电池性能指标最大为优化目标，以设计变量为优化变量，在电极合理设计限定条件下，确立所述优化变量的取值范围内，通过梯度优化算法对所述数值模型进行计算。所述电池性能指标可以为能量密度或者功率密度。
可以理解的是，所述多参数协同方法的实现步骤并不限制于上述实现方式，还可以采用现有技术中的其它方式对设计参数进行优化，确定性能指标的最优值，进而获得最优设计方案。
本实施例中，上述电池设计方法，基于极限扩散电流表达式，可以在多参数协同优化前根据实际放电电流需求，筛选正极厚度、正极孔隙率这两个与液相传输有关的设计参数，以避免液相锂离子浓度为0情况的出现，防止因液相传输限制导致电池放电容量骤降。
本申请提供一种计算机设备。所述计算机设备包括存储器、处理器及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机程序。所述处理器执行所述计算机程序时实现上述实施例中任一项所述的电池设计方法的步骤。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
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