锂电池伪二维电化学模型理论简介

作者：mikoWoo

锂离子电池在充放电过程中，电池极片内部的电化学过程具体包括三个方面：

第一，电子的传输：（1）电子在集流体与电极界面的传导；（2）多孔电极中的电子传导，传导路径为电极涂层中的固体组分，主要包含两个部分：活物质颗粒相和导电剂三维网络。在正极极片中，活物质颗粒的电导率很低，电子传导主要通过与粘结剂胶合在一起导电剂网络传输，导电网络分布在活性物质颗粒之间。因此，极片中电子的迁移通道由导电剂三维网络骨架组成，传导速率主要取决于涂层与集流体的界面结合状态，涂层中导电剂分布状态等因素。

第二，锂离子的传输：（1）锂离子在电极孔隙的电解液中的传输过程；（2）锂通过SEI膜的扩散过程；（3）锂在电极材料固体颗粒内部的扩散。

第三，电极/电解液界面处发生电荷交换：（1）电荷在电解液/电极界面的交换，伴随着电化学反应；（2）赝电容，在界面处形成双电子层。

锂离子电池伪二维（P2D）电化学模型示意图如图1所示，各线段分别表示铜集流体，负极涂层，隔膜，正极涂层，铝集流体。模型主要通过5个方程描述电化学反应过程。

图1 锂离子电池伪二维电化学模型

（1）固相导电：电子的传导遵循欧姆定律；

（2）液相传质：锂离子在电解液传输，包括扩散，采用修正的菲克第二定律描述；迁移。

（3）固相扩散：锂离子在固体颗粒的扩散遵循菲克第二定律；

（4）液相导电：锂离子在电解液中传输所形成电流与电势的关系式；

（5）电极反应：在电解液-固体电极界面的电极反应采用Bulter-Volmer公式描述，电极中固相和液相的过电势是反应动力。

另外，根据电荷守恒定律，在电池内部的任意位置处的液相电流密度和固相电流密度之和为电池的充放电电流密度，锂离子电池液相和固相电荷守恒都采用法拉第定律描述。

以上就是P2D电化学模型的理论基础，这是在做电化学模拟之前，我个人的学习与理解，不对之处欢迎批评指正。后面将尽量用最简单易懂的方式详细介绍各个方程，接下来一篇首先介绍欧姆定律描述电子传输过程。