杜雙龍，賴延清，賈 明，程 壯，艾立華，艾 亮

?

基于電化學(xué)模型的鋰空氣電池仿真

杜雙龍1，賴延清1，賈 明1，程 壯1，艾立華2，艾 亮2

(1. 中南大學(xué) 冶金與環(huán)境學(xué)院，長(zhǎng)沙 410000；2. 湖南艾華集團(tuán)股份有限公司，益陽 413000)

基于COMSOL仿真平臺(tái)，建立一維電化學(xué)模型，研究放電電流密度、氧氣濃度、氧氣擴(kuò)散速率以及Li+擴(kuò)散系數(shù)等因素對(duì)電池性能影響。結(jié)果表明：當(dāng)放電電流密度從0.05 mA/cm2增大到0.5 mA/cm2時(shí)，鋰空氣電池的放電比容量由1256.4 mA?h/g下降到139.2 mA?h/g；在放電電流密度為0.1mA/cm2條件下，外界氧氣濃度從4.73 mol/m3增加到18.92 mol/m3時(shí)，電池比容量從371.2 mA?h/g增加到1274.5 mA?h/g，表明提高外部環(huán)境的氧氣濃度有助于提高電池比容量；氧氣擴(kuò)散速率為電池反應(yīng)的速度控制步驟。當(dāng)氧氣擴(kuò)散系數(shù)從3.5×10?10 m2/s 提高到7×10?9 m2/s時(shí)，電池的容量從373.0 mA?h/g增加到2352.1 mA?h/g；而提高Li+的擴(kuò)散系數(shù)對(duì)電池的比容量幾乎沒有影響。

鋰空氣電池；電流密度；氧氣濃度；擴(kuò)散系數(shù)；數(shù)值仿真

近幾年電動(dòng)汽車的發(fā)展受到了人們的廣泛關(guān)注，但是受限于鋰離子電池比容量的限制，電動(dòng)汽車的續(xù)航里程仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于內(nèi)燃機(jī)車[1]。因此，開發(fā)出新一代的高比容量?jī)?chǔ)能體系對(duì)電動(dòng)汽車有著重要意義。鋰空氣電池由于其超高理論比容量被視為是未來電動(dòng)汽車的理想儲(chǔ)能裝置，已經(jīng)受到各國(guó)研究者的廣泛關(guān)注。但是由于放電產(chǎn)物L(fēng)i2O2會(huì)沉積在多孔陰極的孔隙之內(nèi)造成孔隙阻塞，阻斷氧氣與Li+接觸，導(dǎo)致放電終止，對(duì)其的研究只能停滯在實(shí)驗(yàn)室階段[2?3]。

不同于鋰離子電池，鋰空氣電池是使用金屬鋰作為電池陽極，陰極反應(yīng)物為空氣中的氧氣。由于來自外部的氧氣可以不計(jì)入電池的質(zhì)量，以Li2O2為唯一放電產(chǎn)物時(shí)，其理論比容量可達(dá)11000 W?h/kg[4?6]?；陔娊赓|(zhì)狀態(tài)的不同，鋰空氣電池可以分為有機(jī)電解質(zhì)體系、水系電解質(zhì)體系、混合體系和全固態(tài)電解質(zhì)體系。BARDENHAGEN等[7]使用XPS手段研究了鋰空氣電池正極內(nèi)部在電極深度方向上反應(yīng)產(chǎn)物的分布情況，結(jié)果表明，孔隙中由于氧氣濃度存在，生成產(chǎn)物將附著正孔隙壁面上，并且生成位置首先集中在電極的頂部與底部；XU等[8]研究發(fā)現(xiàn)，鋰空氣電池正極上的催化劑對(duì)電池性能也有很大的影響，主要反映在提高電池的循環(huán)性能和電池容量以及降低電池充電電壓三方面，這點(diǎn)與FREUNBERGER等[9]的研究成果類似。鋰空氣電池的放電容量在很大程度上取決于放電產(chǎn)物L(fēng)i2O2的累積，所以可以通過控制催化劑的種類從而影響放電產(chǎn)物中Li2CO3與Li2O2的比例，提高放電產(chǎn)物中Li2O2所占的比例從而達(dá)到提高電池的循環(huán)性能[10]。其次，研究發(fā)現(xiàn)使用催化劑非均勻填充的空氣電極比均勻填充電極得到的電池放電容量要更 高[11]。

隨著計(jì)算機(jī)水平的發(fā)展，仿真技術(shù)在傳統(tǒng)電池研究領(lǐng)域也發(fā)揮了重要作用，建立數(shù)值模型研究電池，能夠有效縮短設(shè)計(jì)周期，節(jié)約時(shí)間和成本[12?16]，近年來在新型儲(chǔ)能鋰空氣電池上也得到了廣泛應(yīng)用[17?20]。ALLEN等[11]基于二元電解質(zhì)濃溶液理論，建立鋰空氣電池?cái)?shù)值模型，模型考慮了電池系統(tǒng)時(shí)間與空間尺度物料傳輸?shù)淖兓约癓i2O2膜的增長(zhǎng)情況；研究表明，鋰空氣電池的容量發(fā)揮與放電電壓不僅與氧氣濃度相關(guān)，還與正極孔隙率有關(guān)。SAHAPATSOMBUT等[18]在前面一維模型研究的基礎(chǔ)上，研究循環(huán)過程中的容量衰減，生成產(chǎn)物中考慮了Li2O2和Li2CO3的生成反應(yīng)，其研究表明，鋰空氣電池的容量衰減來源于循環(huán)過程中反應(yīng)產(chǎn)物的不斷沉積。為進(jìn)一步研究氧氣濃度對(duì)鋰空氣電池的影響，SAHAPATSOMBUT等[19]比較了空氣與純氧氣對(duì)鋰空氣電池的影響；結(jié)果表明，相比于純氧環(huán)境，在電流密度為0.05 mA/cm2情況下，鋰空氣電池在空氣環(huán)境中電池容量將由1240 mA?h/g下降到226 mA?h/g，采用一種具有氧氣選擇性膜，可以提升電池容量。LI[20]基于電化學(xué)模型與流體力學(xué)的耦合研究了顆粒粒徑對(duì)電池容量的影響。綜前所述，Li2O2產(chǎn)物的累積影響鋰空氣電池容量發(fā)揮，采用仿真手段進(jìn)行鋰空氣電池模擬研究，可以節(jié)省人力物力，對(duì)于鋰空氣電池的設(shè)計(jì)優(yōu)化等具有一定的指導(dǎo)作用。

本文作者以鋰空氣電池為研究對(duì)象，基于COMSOL仿真平臺(tái)，建立一維電化學(xué)模型，通過仿真手段研究不同放電電流密度，不同氧氣濃度以及不同擴(kuò)散系數(shù)下鋰空氣電池的有關(guān)容量等性能變化，研究結(jié)論可為鋰空氣電池工程化提供指導(dǎo)。

1 模型建立

1.1 研究對(duì)象

1.2 一維電化學(xué)模型的建立

1.2.1 幾何模型

圖1所示為鋰空氣電池一維等溫模型的的幾何模型。該模型包括隔膜與多孔電極兩部分，鋰金屬負(fù)極在模型中被設(shè)置為邊界。整個(gè)電池模型浸沒在有機(jī)電解質(zhì)中，如下所示：

圖1 鋰空氣電池一維幾何模型

1.2.2 模型假設(shè)

為簡(jiǎn)化模型，提高模型的實(shí)用性，模型建立過程使用如下假設(shè)：

1) Li2O2是電池放電時(shí)的唯一產(chǎn)物且只生成于多孔陰極之內(nèi)；

2) 該電池的電解質(zhì)是基于二元電解質(zhì)濃溶液理論的單一鹽均勻有機(jī)溶劑混合物；

3) Li+的擴(kuò)散使用濃溶液電解質(zhì)理論，多孔陰極中充滿了液相電解質(zhì)；

4) 溶劑中氧氣始終飽和；

5) 電極內(nèi)的物質(zhì)對(duì)流傳遞可以忽略。

1.2.3 一維電化學(xué)模型建立

鋰空氣電池在放電過程中，多孔碳電極為氧氣的電化學(xué)還原提供反應(yīng)場(chǎng)所。電池放電時(shí)，外部的氧氣通過多孔電極的孔隙與電解液中的Li+接觸，生成的Li2O2膜沉積在多孔陰極的孔隙內(nèi)部的活性壁面。氧氣在正極的擴(kuò)散遵從Fick定律，如式(1)所示：

式中：為電極單位體積的實(shí)際反應(yīng)面積；s為化學(xué)計(jì)量數(shù)；Dfilm為物質(zhì)的實(shí)際擴(kuò)散系數(shù)；c為電解質(zhì)與電極界面的局部電流轉(zhuǎn)移密度；為法拉第常數(shù)，96485 C/mol；為反應(yīng)轉(zhuǎn)移電子數(shù)；c為物質(zhì)的電解液相濃度；c,s為物質(zhì)的表面濃度；為計(jì)算的放電產(chǎn)物理論膜厚度。

不考慮電池電解液內(nèi)的對(duì)流傳質(zhì)的影響，電池內(nèi)Li+與氧氣擴(kuò)散與遷移的通量方程為

固相電子傳導(dǎo)電流1遵從歐姆定律，如式(5)所示：

多孔碳電極為氧氣的電化學(xué)還原提供反應(yīng)場(chǎng)所，電池放電時(shí)，外部的氧氣通過多孔電極的孔隙與電解液中的Li+接觸，生成的Li2O2膜沉積在多孔陰極的孔隙內(nèi)部的活性表面。正極電極反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)表達(dá)式為：

式中：loc是局部電流密度；a為陽極傳遞系數(shù)；c為陰極傳遞系數(shù)；c為物質(zhì)的濃度。

表面膜電阻引起的電勢(shì)降如式(8)所示：

在模擬過程中假定負(fù)極鋰金屬端接地，電勢(shì)為零。

1.2.4 正極中反應(yīng)產(chǎn)物溶解過程孔隙變化描述

此外，由于產(chǎn)物在多孔正極內(nèi)部壁面的不斷沉積，會(huì)導(dǎo)致正極孔隙率逐漸減小，正極內(nèi)活性比表面積也隨之有所下降。電極內(nèi)單位體積的實(shí)際活性表面面積見公式(11)為

在反應(yīng)產(chǎn)物L(fēng)i2O2超出溶解度范圍后，其在正極活性壁面上累積。在此過程中，產(chǎn)物L(fēng)i2O2的體積分?jǐn)?shù)如式(12)：

式中：0為正極初始粒徑。

模擬過程中，金屬鋰負(fù)極接地，正極集流體電流為放電電流，電池的放電終止電壓為2.5 V，分別研究電流密度為0.05、0.1、0.2和0.5 mA/cm2條件下電池容量的衰減情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 模型驗(yàn)證

通過將模擬得到的電池放電曲線與實(shí)驗(yàn)得到的放電曲線進(jìn)行對(duì)比，可以驗(yàn)證該模型是否可靠。圖2所示為放電電流密度為0.05 mA/cm2時(shí)實(shí)際放電曲線與模擬結(jié)果曲線的對(duì)比，其中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)[17]，一維電化學(xué)模型網(wǎng)格剖分得到128個(gè)網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量足夠。

從圖2可以看出，在電池容量發(fā)揮在1100 mA?h/g之前，試驗(yàn)曲線與模擬均吻合較好，在實(shí)驗(yàn)容量大于1100 mA?h/g之后，兩者稍有偏離，具體表現(xiàn)在模擬容量發(fā)揮大于實(shí)驗(yàn)結(jié)果。造成此現(xiàn)象的原因是由于模型建立過程中存在多種假設(shè)，以及部分參數(shù)的獲取存在誤差，這些均會(huì)在一定程度上影響電池容量的發(fā)揮。總體來看，兩條曲線仍具有很高的吻合度，表明該模型可靠性較好，能夠用來反映電池行為。

鋰空氣電池仿真研究在擁有兩個(gè)四核處理器(Intel Core i7 CPU，2.93 GHz，總共8個(gè)處理器內(nèi)核)和總共6 GB隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)的戴爾高性能T1650工作站上進(jìn)行，計(jì)算資源足夠。

圖2 鋰空氣電池的放電曲線與模擬結(jié)果對(duì)比

2.2 放電電流密度對(duì)電池性能的影響

電流是影響電池容量發(fā)揮的重要因素，圖3所示為不同放電電流密度下電池的放電曲線。該電池的放電比容量與初始放電電壓見表1。

圖3 不同放電電流密度下鋰空氣電池的放電曲線

表1 鋰空氣電池初始放電電壓與比容量

從圖3可以看出，電池初始放電時(shí)，電壓首先迅速降低，隨后才開始進(jìn)入平穩(wěn)的放電平臺(tái)，并且隨著應(yīng)用放電電流密度的增加這個(gè)下降幅度也在有所增加。當(dāng)放電電流密度為0.05 mA/cm2增大到0.5 mA/cm2時(shí)，電池的初始放電電壓從2.95 V下降到2.81 V；導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因是放電初始階段，電池內(nèi)部由于電阻存在，隨著電流增大，歐姆極化也逐漸增大，因此導(dǎo)致了放電電壓低于理論電壓。

此外，從表1可以看出，當(dāng)應(yīng)用放電電流密度為0.05 mA/cm2增大到0.5 mA/cm2時(shí)，電池的放電比容量從1256.4 mA?h/g下降到只有139.2 mA?h/g；這也印證了放電電流越大，容量發(fā)揮越小，放電電流越小，放電容量則越大的規(guī)律。

圖4(a)和(b)所示分別為放電電流密度為0.05 mA/cm2、0.5 mA/cm2時(shí)電池正極內(nèi)部氧氣濃度演化規(guī)律。節(jié)選了從1×100到1×108等9個(gè)時(shí)間點(diǎn)電極內(nèi)氧氣濃度，橫坐標(biāo)為電池正極的無量綱厚度。電池放電初期，電極表面充足的Li+與O2在正極孔隙表面接觸，迅速發(fā)生反應(yīng)將電極表面的氧氣快速消耗，致使1×100~1×102時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)較大的氧氣濃度梯度。放電中期，由于氧氣擴(kuò)散，氧氣必然會(huì)在正極內(nèi)部形成自外而內(nèi)的濃度梯度；在小電流0.05 mA/cm2放電時(shí)(見圖4(a))，氧氣與Li+的反應(yīng)速度相對(duì)較慢，因此在放電中期1×102~1×107時(shí)間內(nèi)氧氣濃度出現(xiàn)的梯度相對(duì)較??；在大電流0.5 mA/cm2放電時(shí)，氧氣濃度則出現(xiàn)較大梯度。放電末期時(shí)，由于放電產(chǎn)物L(fēng)i2O2在多孔正極的孔隙內(nèi)部的不斷沉積，導(dǎo)致氧氣擴(kuò)散通道變窄，擴(kuò)散速率持續(xù)下降。這一現(xiàn)象在大電流放電時(shí)更為明顯，由圖4(b)可以看出，由于前中期放電產(chǎn)物在壁面的累積，造成孔隙堵塞，后期時(shí)僅有少量氧氣能夠到大電極內(nèi)部，這也是大電流放電容量較小的原因之一。

圖4 不同電流密度下正極氧氣濃度分布

電池的放電電流不僅影響電池內(nèi)部氧氣濃度分布，對(duì)電池的過電勢(shì)也有直接影響。圖5給出了不同放電電流密度下電池正極的過電勢(shì)分布?？梢钥闯觯娏髅芏葹樾‰娏?.05 mA/cm2時(shí)，過電勢(shì)曲線相對(duì)平穩(wěn)，氧氣側(cè)與電解質(zhì)側(cè)過電勢(shì)在前中期大抵相當(dāng)，在放電末期迅速增大，這是由于末期電池內(nèi)部活性物質(zhì)消耗，導(dǎo)致內(nèi)阻增大所致。大電流0.5 mA/cm2，氧氣側(cè)電壓降基本保持不變，但是電解質(zhì)過電勢(shì)逐漸增大，最后時(shí)刻過電勢(shì)達(dá)到0.37 V，這嚴(yán)重阻礙了電池整體的容量發(fā)揮。

圖5 不同電流密度下多孔正極過電勢(shì)

2.3 氧氣濃度對(duì)電池性能的影響

電池容量的發(fā)揮不僅與電池放電電流有關(guān)，正極氧氣濃度也密切相關(guān)。圖6給出放電電流密度為0.1 mA/cm2時(shí)不同氧氣濃度下電池放電容量曲線。

圖6 不同氧氣濃度下的電池容量

從圖6中可以看出，正極所處的環(huán)境中氧氣濃度越高，電池的放電容量越高，電池的放電電壓也比較高。從表2可以看出，當(dāng)外界氧氣濃度從4.73 mol/m3增加到18.92 mol/m3時(shí)，電池容量從371.2 mA?h/g增加到1274.5 mA?h/g，增長(zhǎng)近3.4倍。這是因?yàn)檠鯕鉂舛鹊脑龃?，使得在多孔陰極處有大量的Li+與氧氣結(jié)合生成了Li2O2，在未達(dá)到氧氣濃度飽和之前，均會(huì)造成電池容量的大幅度提升。

表2 不同氧氣濃度下電池容量

圖7所示為不同氧氣濃度下放電產(chǎn)物L(fēng)i2O2膜厚度的變化。從圖7中可以看出，電池內(nèi)部產(chǎn)物在厚度方向上呈現(xiàn)一定的梯度變化，靠近正極表面，Li2O2厚度越大，遠(yuǎn)離表面則產(chǎn)物厚度越??；并且外部氧氣濃度越大，厚度梯度越小，且任何位置的產(chǎn)物厚度均大于其它濃度的厚度。這是由于氧氣濃度較大時(shí)，將形成較大氧氣濃度梯度，在該梯度下氧氣迅速向電池內(nèi)部擴(kuò)散，在梯度方向上發(fā)生反應(yīng)，生成具有一定厚度的Li2O2產(chǎn)物；氧氣濃度較低時(shí)，形成較小的濃度梯度，并且表面處先發(fā)生反應(yīng)，使得表面區(qū)域孔隙率降低，該結(jié)果將導(dǎo)致更少的氧氣擴(kuò)散進(jìn)入電池內(nèi)部，因此將形成較大的Li2O2膜厚度梯度。

圖7 不同氧氣濃度下Li2O2膜厚度的變化

2.4 擴(kuò)散系數(shù)的影響

綜前所述，放電電流、氧氣濃度均對(duì)電池容量發(fā)揮具有重要影響。由于電池反應(yīng)同時(shí)受Li+擴(kuò)散以及氧氣擴(kuò)散雙重影響，因此，研究擴(kuò)散系數(shù)對(duì)電池性能發(fā)揮同樣重要。圖8所示為不同的Li+擴(kuò)散系數(shù)下電池容量的變化，研究Li+的擴(kuò)散系數(shù)分別為2.11×10?9、1.055×10?8和2.11×10?8 m2/s下電池的容量發(fā)揮情況，其中放電電流密度設(shè)置為0.1 mA/cm2。從圖8可以看出，3條曲線幾乎完全重合，表明Li+的擴(kuò)散系數(shù)對(duì)電池容量沒有明顯影響，不是反應(yīng)控制步驟。

圖9所示為放電電流密度設(shè)置為0.1 mA/cm2不同氧氣擴(kuò)散系數(shù)下的電池容量變化曲線。從圖9可以看出，氧氣擴(kuò)散系數(shù)對(duì)電池容量發(fā)揮具有顯著影響。具體表現(xiàn)為：氧氣擴(kuò)散系數(shù)越大，電池容量發(fā)揮越大，反之則較小。從表3可以看出，當(dāng)氧氣擴(kuò)散系數(shù)從3.5×10?10 m2/s 提高到7×10?9 m2/s時(shí)，電池的容量從373.0 mA?h/g增加到2352.1 mA?h/g，增長(zhǎng)近6.3倍，同時(shí)也表明氧氣的擴(kuò)散是電池反應(yīng)的控制步驟。

圖8 Li+擴(kuò)散系數(shù)對(duì)電池容量的影響

圖9 不同氧氣擴(kuò)散系數(shù)下的電池容量

表3 不同氧氣擴(kuò)散系數(shù)下電池比容量

3 結(jié)論

1) 放電電流是影響電池容量發(fā)揮的重要因素。由于放電產(chǎn)物L(fēng)i2O2在多孔正極孔隙內(nèi)部的不斷沉積，導(dǎo)致氧氣擴(kuò)散通道變窄，甚至造成孔隙堵塞。當(dāng)放電電流密度從0.05 mA/cm2增大到0.5 mA/cm2時(shí)，鋰空氣電池的放電比容量由1256.4 mA?h/g下降到139.2 mA?h/g。

2) 外界氧氣濃度是影響電池容量發(fā)揮的另一重要因素。在放電電流密度為0.1 mA/cm2條件下，外界氧氣濃度從4.73 mol/m3增加到18.92 mol/m3，電池比容量從371.2 mA?h/g增加到1274.5 mA?h/g，增長(zhǎng)近3.4倍，表明提高外部氧氣濃度有助于提高電池比容量。

3) 氧氣擴(kuò)散速率為電池放電反應(yīng)的速度控制步驟。當(dāng)氧氣擴(kuò)散系數(shù)從3.5×10?10 m2/s 提高到7×10?9 m2/s時(shí)電池的容量從373.0 mA?h/g增加到2352.1 mA?h/g，增長(zhǎng)近6.3倍，而提高Li+的擴(kuò)散系數(shù)對(duì)電池的比容量幾乎沒有影響。

[1] 李驕陽, 王 莉, 何向明. 動(dòng)力鋰電池的未來發(fā)展[J]. 新材料產(chǎn)業(yè), 2016(3):25?30. LI Jiao-yang, WANG Li, HE Xiang-ming. Development of Power lithium battery in the future[J]. Advanced Materials Industry, 2016(3):25?30.

[2] THOTIYL M M O, FREUNBERGER S A, PENG Z, BRUCE P G. The carbon electrode in nonaqueous Li-O2cells[J]. Journal of American Chemical Society, 2013, 135(1): 494?500.

[3] 王倍洲,王有偉,劉建軍,陸文聰.鋰空氣電池正極界面催化反應(yīng)機(jī)理[J]. 中國(guó)材料進(jìn)展, 2015,12(34):933?937.WANG Bei-zhou, WANG You-wei, LIU Jian-jun, LU Wen-cong. Catalytic reaction mechanism in the positive electrode interface of lithium air battery[J]. Materials China, 2015, 12(34): 933?937.

[4] ZU Chen-xi, HONG Li. Thermodynamic analysis on energy densities of batteries[J]. Energy & Environmental Science, 2011, 4(8): 2614?2624.

[5] BRUCE P G, FREUNBERGER S A, HARDWICK L J. Li-O2and Li-S batteries with high energy storage[J]. Nature Materials, 2012, 11(1): 19?29.

[6] GIRISHKUMAR G, MCCLOSKEY B, LUNTZ A C, SWANSON S, WILCKE W. Lithium-air battery: Promise and challenges[J]. The Journal of Physical Chemistry Letters, 2010, 1(14): 2193?2203.

[7] BARDENHAGEN I, FENSKE M, FENSKE D, WITTSTOCK A, B?UMER M. Distribution of discharge products inside of the lithium/oxygen battery cathode[J]. Journal of Power Sources, 2015, 299: 162?169.

[8] XU W, XU K, VISWANATHAN V V, TOWNE S A, HARDY J S, XIAO J, ZHANG J G. Reaction mechanisms for the limited reversibility of Li-O2chemistry in organic carbonate electrolytes[J]. Journal of Power Sources, 2011, 196(22): 9631?9639.

[9] FREUNBERGER S A, CHEN Y, PENG Z, GRIFFIN J M, HARDWICK L J, BARDé F, BRUCE P G. Reactions in the rechargeable lithium-O2battery with alkyl carbonate electrolytes[J]. Journal of the American Chemical Society, 2011, 133(20): 8040?8047.

[10] SERIANI N. Ab initio thermodynamics of lithium oxides: from bulk hases to nanoparticles[J]. Nanotechnology, 2009, 20(44): 445703?445710.

[11] ALLEN C J, MUKERJEE S, PLICHTA E J, HENDRICKSON M A, ABRAHAM K M. Oxygen electrode rechargeability in an ionic liquid for the Li-air battery[J]. The Journal of Physical Chemistry Letters, 2011, 2(19): 2420?2424.

[12] 洪 樹, 湯依偉, 賈 明, 艾立華, 殷寶華, 李 劼. 基于電化學(xué)模型的全固態(tài)鋰離子電池的放電行為[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào),2015, 25(8): 2176?2182.HONG Shu，TANG Yi-wei，JIA Ming，AI Li-hua，YIN Bao-hua，LI Jie. Discharge behavior of all-solid-state Li-ion batteries based on electrochemical model[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2015,25(8): 2176?2182.

[13] 程 昀, 李 劼, 賈 明, 湯依偉, 宋文鋒, 張治安, 張 凱. 動(dòng)力鋰離子電池模塊散熱結(jié)構(gòu)仿真研究[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2015, 25(6):1607?1616. CHENG Yun, LI Jie, JIA Ming, TANG Yi-wei, SONG Wen-feng, ZHANG Zhi-an, ZHANG Kai. Simulation research of heat dissipation structure for automotive lithium-ion battery packs[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2015, 25(6): 1607?1616.

[14] 杜雙龍, 賴延清, 賈 明, 程 昀, 張紅亮, 張 凱, 劉業(yè)翔. 圓柱鋰離子動(dòng)力電池電熱特性仿真[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2014, 24(7): 1823?1830.DU Shuang-long, LAI Yan-qing, JIA Ming, CHENG Yun, ZHANG Hong-liang, ZHANG Kai, LIU Ye-xiang. Electrothermal characteristics simulation of cylindrical automotive lithium-ion battery[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2014, 24(7): 1823?1830.

[15] LI Jie, CHENG Yun, JIA Ming, TANG Yi-wei, LIN Yue, ZHANG Zhi-an, LIU Ye-xiang. An electrochemical-thermal model based on dynamic responses for lithium iron phosphate battery[J]. Journal of Power Sources, 2014, 255: 130?143.

[16] LI Jie, CHENG Yun, AI Liang, JIA Ming, DU Shuang-long, YIN Bao-hua, STANLEY Woob, ZHANG Hong-liang. 3D simulation on the internal distributed properties of lithium-ion battery with planar tabbed configuration[J]. Journal of Power Sources, 2015, 293: 993?1005.

[17] SAHAPATSOMBUT U, CHENG H, SCOTT K. Modelling the micro-macro homogeneous cycling behaviour of a lithium-air battery[J]. Journal of Power Sources, 2013, 227: 243?253.

[18] SAHAPATSOMBUT U, CHENG H, SCOTT K. Modelling of electrolyte degradation and cycling behavior in a lithium air battery[J]. Journal of Power Sources, 2013, 243: 409?418.

[19] SAHAPATSOMBUT U, CHENG H, SCOTT K. Modelling of operation of a lithium-air battery with ambient air and oxygen-selective membrane[J]. Journal of Power Sources, 2014 249: 418?430.

[20] LI Xiang-lin. A modeling study of the pore size evolution in lithium-oxygen battery electrodes[J]. Journal of The Electrochemical Society, 2015, 162(8): A1636?A1645.

Simulation for lithium air batteries based on electrochemical model

DU Shuang-long1, LAI Yan-qing1, JIA Ming1, CHENG Zhuang1, AI Li-hua2, AI Liang2

(1. School of Metallurgy and Environment, Central South University, Changsha 410000, China; 2. Aihua Group Co., Ltd., Yiyang 413000, China)

Based on COMSOL simulation platform, a one-dimensional electrochemical model was established to study the effect of applied current density, oxygen concentration, diffusion of oxygen and lithium-ion on the performance of lithium air battery. The results show that the specific capacity reduces from 1256.4 mA?h/g to 139.2 mA?h/g with the applied current density increasing from 0.05 mA/cm2to 0.5 mA/cm2; and the specific capacity is improved from 371.2 mA?h/g to 1274.5 mA?h/g with the oxygen concentration increasing from 4.73 mol/m3to 18.92 mol/m3when the applied current is set as 0.1mA/cm2. It is suggested that the specific capacity can be improved by increasing the oxygen concentration. The diffusion rate of oxygen is the rate-determining step during the discharge process. When the diffusion coefficient of oxygen increases from 3.5×10?10 m2/s to 7×10?9 m2/s, the specific capacity is improved from 373.0 mA?h/g to 2352.1 mA?h/g. The diffusion coefficient of Li+has almost no effect on the specific capacity.

lithium air battery; current density; oxygen concentration; diffusion coefficient; numerical simulation

Projects(51204211, 51222403) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(0714-EMTC02-5271/6) supported by the Special Foundation of Industrial Upgrading Transformation and Strengthen, Ministry of Industry and Information Technology, China

2016-04-07;

2017-05-27

JIA Ming; Tel: +86-13975127722; E-mail: jiamingsunmoon@aliyun.com

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51204211，51222403)；工信部工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)強(qiáng)基工程專項(xiàng)(0714-EMTC02-5271/6)

2016-04-07；

2017-05-27

賈 明，副教授，博士；電話：13975127722；E-mail: jiamingsunmoon@aliyun.com

10.19476/j.ysxb.1004.0609.2018.06.08

1004-0609(2018)-06-1143-08

TM911

A

(編輯 何學(xué)鋒)