钠电池取代锂电池？零基础自学入门COMSOL锂钠电池仿真技术

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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导读：大家好，我是仿真秀专栏作者中矿锂电公众号主编，前不久，我在仿真秀平台订阅了一套COMSOL钠电池视频教程，受益匪浅。为此撰写本文希望能够给同行一些学习经验和建议。

下图显示了地壳中常见元素的相对含量，横轴是元素的原子数，纵轴为相对丰度。相对丰度的定义是研究元素的含量和对标元素含量的比值，通常对标元素为硅(Si)。纵轴沿正方向的每一小格表示含量高10倍。从图中我们发现地壳中锂元素的含量是是钴(Co)元素的100倍，是铅元素(Pb)的20倍,同时这些元素都是组成电池的重要金属元素。图一中可看出Na最为最丰富的元素之一，考虑到更为实惠的经济成本，钠电池成为取代锂电池重要竞争对手。

自然界中的锂元素和钠元素

一、世界锂元素储藏及产量状态

目前所有商业锂来自陆地上的矿石和盐水。其中包含总锂储备1400万吨，根据最新调查，地理陆地锂资源分布不均，98%以上的总储量集中在智利、阿根廷、中国和澳大利亚。

图二

澳大利亚是截止到2018年迄今为止最重要的锂供应国，以年开采量51,000吨位世界居，领先于智利(16,000 吨)、中国(8,000 吨)和阿根廷(6,200 吨)。上述四个国家长期以来一直占据锂矿供应链的主导地位。从矿石和盐水中提锂对环境有显著影响，包括水污染、地下水枯竭、土壤破坏和空气污染。锂矿的开采方法对各国而言有所不同，简单来说，澳大利亚的锂矿来自矿石开采，而智利和阿根廷的锂矿来自盐漠，即所谓的撒拉沙漠。从盐沼提取原材料后，来自地下湖泊的含锂盐水被带到地表并在大盆地中蒸发，剩余的盐溶液分几个阶段进行进一步处理，直到锂适合用于电池标准。以当前的开采速度预计在2050年，全球的潜在锂元素消费量将到达全球储量的三分之一。同时，按照目前中国的开采速度，本土锂矿可以支持开采125年。

二、锂电池和钠电池的比较

物理特征相同

在电池内部，除了化学成分外，复合电极涂层看起来也很相似。这是因为在两种电池化学中都使用了相同的导电碳填料和粘合剂材料。唯一的物理区别是集流体的选材。在LIB中，铜箔和铝箔分别用作阳极和阴极集流体，而在SIB中，两个电极的集流体均选用铝箔。这是因为钠由于较大的原子直径，不会与阳极的铝集流体形成合金。这降低了SIB的材料成本和重量，因为铝比铜更便宜且密度更低。

化学反应特近似

由于锂电池和钠电池中的离子在正负极都有类似摇椅式的插层反应，因此纽曼模型可以很好的描述钠离子电池的内部反应机理。基于此，在经典的P2D模型之上只需修改钠电池正负极相应的电极电位曲线和对应的物理化学参数，即可对钠电进行仿真。

功率、能量密度、循环稳定性

不同的温度条件、放电/充电率和放电深度(DOD)会影响电池寿命。LIB的可循环性一般，在极端温度、高（放电）充电速率（高于1C）和DOD（高于80%）均会减少电池循环次数。而钠电则对温度有更高的耐受性。钠电和锂电对温度的敏感性直接体现在相关电化学参数的标定上。由于钠电正负极材料体系的固有性质不同，导致能量密度、功率等区别于锂离子电池，模型中体现为相关物性的区别。

三、COMSOL钠离子电池建模与仿真

钠离子电池 (SIB) 被广泛视为锂离子电池 (LIB) 的理想替代品。从化学角度分析，钠离子电池使用钠离子 (Na+) 代替锂离子 (Li+) 进行电解质电荷传输，并在电极反应中充当氧化还原物质。相对于锂离子而言，钠离子的优势在于其丰富性，并且在生产过程中对环境的影响可能较小。然而，SIB 通常表现出比 LIB 更低的能量密度，因此一般作为主要在固定应用中取代 LIB 的备选材料。SIB 化学与 LIB 化学有许多相似之处，因此通常可以使用相同的电荷传输和质量传递、电极动力学和电极颗粒嵌层方程来描述。

三、电池建模与组成

负极：硬碳，64微米。硬碳负极是商业化钠离子电池的优选材料之一。硬碳负极材料具有微观结构复杂、高缺陷、高孔隙率的结构特点；支持插层、吸附的储钠机理；但存在首周库伦效率较差、倍率性能较差、循环稳定性较差的问题。

正极：氟磷酸钒钠[Na3V2(PO4)2F3-NVPF]，68微米。钠离子电池正极材料, 氟磷酸钒钠(Na3V2(PO4)2F3, NVPF)在钠离子脱嵌过程中表现出离子传导率高、结构稳定等优点, 受到了广泛的研究和关注。然而, 普通NVPF正极的平均工作电压和储钠比容量还不够高, 制约了高能量密度的获得。此外, NVPF的晶体结构由高共价性PO43−基聚阴离子构成, 表现出电子电导率低等缺点, 使其难以表现出高倍率性能和长循环寿命等优异电化学性能。

电解液：1 mol NaPF6 溶解在 EC0.5：PC0.5(w/w)中。钠电池电解液性能提升主要有两种路线，一是改进优化已有电解质，二是开发新型电解质。目前，钠电池电解液溶质主流产品是NaPF6（六氟磷酸钠），NaPF6粘度较高，会影响动力学性能。

四、钠离子电池原理

• 电极中的电子传导

• 电极和电解质 / 隔膜中的离子电荷传输、

• 电解质中的材料传输，允许引入浓度对离子电导率和浓度过电位的影响

• 形成电极的球形颗粒内的材料传输

• 通过实验测得的平衡电位放电曲线分析 Butler-Volmer 电极动力学

五、钠电仿真结果分析

1A充电电流电势

5A充电电流电势

12A充电电流电势

上图依次分别是1A的充电电流下，钠离子电池电势变化情况；5A的充电电流下，钠离子电池电势变化情况；12A的充电电流下钠离子电池电势变化情况。

电解液电势

电解质盐浓度

对地电极电势

上图依次分别是六氟磷酸钠电解液电势在1A的充电电流下的电势变化；1A充电电流下，电极发生氧化还原反应时离子浓度变化；1A充电电流下，负极接地，正极的电位变化。

负极电势

电极平均电荷状态

正极电势

上图依次分别是硬碳负极在1A充电电流下的电势变化1A充电下正极和负极的SOC变化；氟磷酸钒钠正极在1A电流下的电势。

六、钠电池建模仿真系列课程

《钠电池基础入门与COMSOL建模仿真10讲》是笔者正在学习的钠电池建模基础课程，它为Comsol钠电池仿真初学者制作的一套课程，主要是为了帮助打算从事钠电仿真工作的0基础的学员去快速掌握Comsol建模操作及钠电池基础模型搭建技术。

本课程会从行业知识、理论知识和软件知识三个角度，带大家快速对钠电池领域有一个整体的宏观认知，了解钠电池的开发背景、体系特点、商业化应用潜力及建模仿真处理方法。最后也会介绍几个仿真建模过程中遇到的不收敛的情况及解决方法。

课程大纲如下：

电化学钠电池基础入门与COMSOL建模仿真10讲

对于这套课程，我基本上快学习完结，在此感谢贾老师耐心解答。届时我继续总结和分享相关文章给大家，接下来我还会订阅贾老师最新的课程《零基础入门COMSOL锂钠电池仿真技术》。

据贾老师介绍，本课程是以往多期直播课程的迭代升级版，相对于往期课程，本课程根据学员反馈和最新行业动态，增加了大量实际工程模型，课程设置更加细致，更有利于初学者快速入门。

课程从理论知识、软件知识、工程知识三个角度系统介绍COMSOL软件的功能和流程化建模方法，以及锂/钠电池的典型仿真建模技术。课程中根据老师自身的项目实战经验分享行业大量原创模型案例，通过实际案例Step by Step式的实操演示COMSOL建模仿真分析流程，并分享一些学习软件的经验和模型优化技巧。

以下是课程大纲（支持开具发票和提供VIP群交流）：

零基础入门COMSOL锂&钠电池仿真技术18讲