法拉第研究所开发的电池设计与计算Excell工具CAMS_化学_汽车_理论_材料

法拉第研究所开发的电池设计与计算Excell工具CAMS

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今天，再分享一个法拉第研究所开发的电池设计与计算Excel工具CAMS。CAMS能够快速评估不同电池化学组成和电池结构的能量密度。此外，该模型还能作为教学工具，帮助理解电池中不同组成部分是如何影响其能量密度的，以及在实际应用规模上从电极活性材料到电池的能量密度变化。

该EXCEL工具具备模拟工业中广泛使用的四种电池设计的能力，包括圆柱电池（Cylindrical）、软包电池（Pouch）、卷绕方形电池（Prismatic [wound]）和Z型叠片方形电池（Prismatic [Z-stacked]）。除此之外，工作簿还涵盖了五种重要的电池化学体系：锂离子（Li-ion）、钠离子（Na-ion）、锂硫（Li-Sulfur）、全固态电池（All solid-state cells）和混合固态电池（Hybrid solid-state cells）。公众号后台回复“CAMS”，小编将逐一提供该工具。

CAMS内置了包含40多种广泛使用的电极材料的数据库，以及一个包含200多种商业电池的数据库，提供了将模拟电池的结果与行业产品进行比较的能力。此外，我们还可以在Excel表格中添加新材料，以便在自己的建模工作中使用。CAMS非常灵活性和实用，是一个强大的电池设计与优化工具。

CAMS具体操作过程如下：

计算结果如下：

以下是两个应用案例，案例1：使用CAMS模型，计算了锂离子对不同负极厚度的石墨||NMC 622电池的能量密度。随着负极厚度的增加，电池能量（Wh）线性增加，而电池能量密度（Wh/kg）显示出渐近关系，收敛于约300 Wh/kg。

案例2：使用CAMS模型，模拟三种不同电池化学体系的预期能量密度：NMC 811||石墨电池，NMC 811||锂电池和硫||锂电池。从下表数据中可知，不同化学体系下模型计算的电池能量密度与理论正极能量密度的比率变化情况。经过数十年的优化，镍锰钴（NMC）||石墨电池可以达到理论能量密度的26%。而使用锂金属负极，镍锰钴（NMC）||锂电池可以将这一比例提升至42%，然而，目前锂硫（Li-S）电池仅实现了约15%的理论能量密度。虽然锂硫电池仍在优化过程中，但由于阴极方面的固有限制，它们在不久的将来达到理论能量密度的42%的可能性不大。

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来源：锂想生活

锂离子电池极片中的碳胶相

锂离子电池极片涂层由以下几个部分组成：（1）活性物质颗粒，在电化学过程中主要脱出或嵌入锂离子；（2）导电剂与聚合物粘结剂相互混合的碳胶相，它们分布在活性物质颗粒之间，相互连通形成三维网络结构，粘结剂使活性物质颗粒粘结在一起，导电三维网络是极片内部电子传输的主要通道；（3）固体相之间的微观孔隙空间，这些孔洞也相互贯通，填充满电解液，孔隙内的电解液相是极片内部锂离子传输的主要通道。碳胶相微观结构特征多孔结构的碳胶相分布特征也是非常重要的，一方面导电剂需要形成三维连通的导电网络传递电子，同时孔隙内吸收电解液，成为锂离子传输的通道。如图1所示，碳胶相分散差团聚成大颗粒时，内部孔隙率会比较高；碳胶相分散性太高，颗粒尺寸减小，内部孔隙率会降低，长程连通性变差。只有碳胶相处于合适的分散状态，电池性能才最优。图1 NMC正极的SEM形貌：（a）碳胶相大颗粒团聚，（b）碳胶相充分分散；（c）碳胶相分布状态示意图来源：锂想生活