半固态液流电池性能的数值模拟研究

【摘要】锂离子电池因其体积小、重量轻、容量大及使用寿命长等诸多优点而得到广泛应用。液流电池使用可流动的电解液作为活性电池材料。可以通过更换电解液实现电池的快速机械式充电。半固态液流电池将锂离子电池的活性物质及导电材料制备成颗粒状，分散在电解液中形成悬浊液，兼备锂离子电池和液流电池各自的优势。本文即对半固态液流电池的性能进行数值模拟研究，旨在比较阴极材料钴酸锂（LCO）和磷酸铁锂（LFP）应用于半固态液流电池其性能的差异，设计并分析高纵横比H-AR与低纵横比L-AR流道结构对电池性能的影响，以及在此基础上提出半固态液流电池组模型并进行深入研究。论文首先运用电化学仿真模拟软件添加不可压缩Navier-Stokes方程、对流与扩散、传导介质DC多物理场，建立半固态液流电池的三维数值模型，定量研究低流速模拟条件下钴酸锂（LCO）和磷酸铁锂（LFP）荷电状态（SOC）和流道内电流密度的分布。其次研究半固态液流电池流道结构对电池性能的影响，并依次对流道结构进行优化。最后建立半固态液流电池的电池组计算模型，对5个单体电池串联得到的电池组进行数值模拟研究，基于上述研究，得到以下结论：1)LCO活性材料，模拟结果显示SOC的最大值不是理论值的0.7倍，而是理论值的0.57倍，电流密度最高可达18.19mA/cm2。整个电池充放电过程中，入口处的电流密度分布最集中，之后迅速降低，活性材料利用率低；LFP活性材料，其平衡电势和SOC曲线平缓，且有一段平台电压，电流密度较低，最高可达2.36mA/cm2，电流密度分布均匀。在整个充放电过程中电池几乎达到理论容量。当充放电速率和悬浊液流速增加时，其电压极化变得尤为突出。整个模拟过程中，LFP活性材料表现出较低的极化性，而LCO的极化曲线坡度较明显。两条极化曲线的拐点大约在C/4-C/5。这是由于在充电过程中，盐浓度减小降低溶液的离子传导率，增加了电池极化比率，从而影响电池性能。2)低纵横比L-AR情况下，模拟结果显示：随着结构尺寸的不断增大，电池达到截止电压所需的时间不断减少。即：尺寸越大，时间越短，说明电池容量越低，尤其当高度h达到2mm时所需时间为1100s，和初值h=0.5mm相比，仅为其0.1倍，此时说明电池容量随着高度增加到模拟时最大值，容量仅为最初的0.1倍。保持宽度w不变的情况下，给定两组h的变化范围（a）0.5mm到1.5mm，每次增加0.25mm，记作（0.5，0.25，1.5）；（b）0.5mm到2mm每次增加0.5mm，记作（0.5，0.5，2）。以本论文为例，高纵横比H-AR比低纵横比L-AR流道结构尺寸更合适。高纵横比H-AR情况下分别给定高度h和宽度w的变化范围：（a）在保持高度h不变的情况下w的取值范围是0.5mm到4.0mm每次增加0.5mm，记作（0.5，0.5，4）；（b）在保持宽度w不变的情况下，h的取值范围为1.0mm到1.5mm每次增加0.1mm，记作（1.0，0.1，1.5）。以上数值模型模拟时，充放电速率都为C/3。3)电池组模型模拟结果显示当电池活性材料为LCO时，电池性能更好。分别选用LCO和LFP作为阴极活性材料模拟电池组结构，由数据可以看出阴极材料为LCO时，电池组电流密度最大可达80.19mA/cm2；阴极材料为LFP时，电池组电流密度最大可达10.11mA/cm2。
【作者】刘鑫；
【导师】左春柽；
【作者基本信息】吉林大学，机械工程，2014，硕士
【关键词】液流电池；锂离子电池；数值模拟；半固态；电池组；

【参考文献】
[1]王春燕.NiMn基合金组织结构性能研究[D].东北大学,材料学,2010,硕士.
[2]刘世荣,常建国,孙鹏森.森林水文学:全球变化背景下的森林与水的关系[J].植物生态学报,2007,05:753-756.
[3]王丰.胡萝卜冰温微波真空干燥研究[D].上海理工大学,食品科学,2012,硕士.
[4]刘祖光.DBF处理器的设计与实现[D].南京理工大学,电子通信工程,2012,硕士.
[5]黎力.夯扩桩复合地基改善地铁车站地基沉降特性的研究[D].北京交通大学,2014.
[6]钟贵和.基于灵敏度方法的输电有功运行风险控制[D].广东工业大学,电气工程,2014,硕士.
[7]王勇,马儒宁.基于嵌套侵润控制的非线性前馈系统的全局镇定(英文)[J].自动化学报,2010,04:528-533.
[8]谌国森,陈晓丽.美军巡航导弹的现状及发展趋势[J].飞航导弹.2006(02)
[9]吴亦红.人组氨酰-tRNA合成酶多肽基因的克隆与表达[D].河北大学,植物学,2003,硕士.
[10]沈雯蕾.浅述商业秘密保护中的竞业禁止[D].苏州大学,法律,2003,硕士.
[11]傅家.TMT三镜被动支撑技术研究[D].中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）,机械制造及其自动化,2012,硕士.
[12]王建斌.无线网络规划和优化协同分析系统的研究与开发[D].复旦大学,软件工程,2012,硕士.
[13]周娜娜.兴趣培育与中学生思想政治课的教改对策[D].苏州大学,学科教学,2012,硕士.
[14]张琪,张盼,何宇航,刘亮亮,黎厚斌.聚电解质刷的研究新成果及其在造纸中的应用[J].包装学报,2014,02:34-40.
[15]孟凡钦,张士芳,宋万超,高小安.渣罐喷涂新工艺试验与试生产[J].钢铁研究.1996(01)
[16]庞轶舒.中国夏季降水模态时间稳定性和统计降尺度预测研究[D].中国气象科学研究院,气象学,2014,硕士.
[17]侯志立.挠性卫星快速姿态机动与指向跟踪控制方法研究[D].哈尔滨工业大学,飞行器设计,2013,硕士.
[18]徐青惠.艾滋病染病初期的抗病毒模型研究[D].信阳师范学院,系统理论,2014,硕士.
[19]裴志国,李凌云,单孝全,杨爽,温蓓.三氯苯、三氯酚、萘和2-萘酚在石墨烯和氧化石墨烯上的吸附特征研究[A].中国化学会.中国化学会第28届学术年会第2分会场摘要集[C].中国化学会:,2012:1.
[20]李小飞.乌鲁木齐河流域湿季水体中稳定同位素特征及其示踪意义[D].西北师范大学,环境科学,2013,硕士.
[21]郭钰,郭丽伟,陈小龙,黄郊,贾玉萍,林菁菁,芦伟.六方晶型硅面碳化硅外延生长高质量的石墨烯[A].中国硅酸盐学会晶体生长与材料分会.第十六届全国晶体生长与材料学术会议论文集-11蓝宝石及衬底材料[C].中国硅酸盐学会晶体生长与材料分会:,2012:2.
[22]姚建.昆明市耕地压力评价与分析[D].云南农业大学,水土保持与荒漠化治理,2013,硕士.
[23]李江林.数字化电厂模型的研究[J].煤矿机电,2002,05:9-11+14.
[24]赵岳.退休人员角色转化的研究[D].哈尔滨工业大学,社会学,2013,硕士.
[25]姜绪新.村镇银行设立的激励机制研究[D].山东财经大学,政治经济学,2012,硕士.
[26]萧正海.宏太业绩走向辉煌[J].华东科技.1996(11)
[27]曾向往.FRP管的力学计算及FRP管混凝土轴压构件研究[D].华中科技大学,桥梁与隧道工程,2013,硕士.
[28]吴军.中国社会保障争议处理体制研究[D].华东政法学院,经济法学,2003,硕士.
[29]张文婷.数额犯若干问题研究[D].中国海洋大学,法律（专业学位）,2014,硕士.
[30]常朝阳.当代中国政治秩序转型及其趋向分析[D].陕西师范大学,政治学理论,2004,硕士.
[31]白秀佳.新型有机光敏染料的分子设计及第一性原理计算研究[D].河北科技大学,化学工程与技术,2014,硕士.
[32]穆谦.仿生六边形微凸起织构的摩擦学特性研究[D].南京航空航天大学,机械设计及理论,2013,硕士.
[33]段智云.产业集群视角下区域旅游合作研究[D].华侨大学,人文地理学,2013,硕士.
[34]刘江.国有控股上市公司管理层股权激励与企业避税的实证研究[D].华中科技大学,企业管理,2012,硕士.
[35]门志芳.工作场所乐趣对工作满意度和工作绩效的关系研究[D].郑州大学,企业管理,2013,硕士.
[36]张锦奕,李涓子,马亨冰.数据挖掘技术在农业市场信息中的应用探讨[J].农业网络信息,2005,11:133-135.
[37]张恩源.电力市场环境下安全电价及需求弹性理论与实证研究[D].华北电力大学（北京）,技术经济及管理,2004,硕士.
[38]孙琦.中学思想政治教育课的现状与对策分析[D].吉林大学,学科教学（专业学位）,2013,硕士.
[39]何亚平.竺可桢学——《竺可桢全集》催生的一轮朝阳[J].民主与科学,2014,05:10-12.
[40]何晓丹.建设用地集约利用评价[D].浙江大学,2006.
[41]闫新民.不宜喝牛奶,喝什么[J].世界标准信息.2005(S1)
[42]罗春贺.基于物联网技术的地铁安全监控系统研究[D].大连理工大学,土木工程管理,2013,硕士.
[43]罗芳芳.从亲子关系的变化看中年期女性的自我同一性危机及发展[D].北京第二外国语学院,日语语言文学,2013,硕士.
[44]高倩.基于系统动力学的制造企业物流成本控制研究[D].北京交通大学,2013.
[45]胡绘斌.预测复杂环境下电波传播特性的算法研究[D].国防科学技术大学,2006.
[46]廖丹.保险理财产品投保人权益法律保护研究[D].中国政法大学,经济法,2014,硕士.
[47]田超群.高校就业指导工作的社会工作介入空间[D].山东大学,社会工作（专业学位）,2013,硕士.
[48]侯利民,张化光,刘秀翀.带ESO的自适应滑模调节的SPMSM自抗扰-无源控制[J].控制与决策,2010,11:1651-1656.
[49]赵真.抗震概念设计刍论[D].中国地震局工程力学研究所,结构工程,2014,博士.
[50]李军.实物期权定价模型研究[D].北方工业大学,数量经济学,2013,硕士.