固態電池設計與性能估算工具

美國橡樹嶺國家實驗室Ilias Belharouak等人設計了一個可用于固態電池設計與性能全面分析的交互式實驗工具包(SolidPAC)。 該工具包可根據用戶特定的應用要求，設計出相應的固態電池以及電池PACK，幫助研究人員對電極材料性能和組分、電極厚度和負載、成本等因素進行合理優化。 該工具包之前進行了簡單介紹：

固態電池設計與能量密度評估工具包

本文詳細介紹工具包中固態電池的設計過程。 該工具包有兩種形式供大家使用：(1)EXCELL文件版本，利用表格輸入參數，進行電池設計與性能計算; (2)以軟件形式安裝，只能安裝在64位WINDOWS10.0以上版本操作系統，利用軟件界面輸入參數，計算性能。 兩種形式基本過程類似，本文以EXCELL版本為例進行介紹。

軟件形式界面

第一步，選擇材料體系，點擊單元格右側下拉三角符，選擇對應的材料。

1.1、選擇負極活性材料 ，包括石墨、硅和鋰，具體的參數包括容量(Nominal Capacity)、分子量(Molecular Weight)和材料真密度(Material Density)，默認的參數值如下表所示，這里也可以根據自己的實際情況修改材料參數值。

1.2、選擇固態電解質 ，常見的固態電解質及其性能默認值如下表所示，主要參數包括密度、摩爾質量、每克電解質內的可用Li質量、電導率、負極/電解質界面電阻、正極/電解質界面電阻。 材料參數值也可以根據自己的實際情況修改。

1.3、選擇電極中添加的固態電解質組分 ，可供選擇的主要是1.2固態電解質中的前六種。

1.4、選擇正極活性材料 ，常見的固態電解質及其性能默認值如下表所示，常見材料包括NCA、NMC622、NMC333、LFP、LMO和75%NMC/25%LMO等，主要的參數包括材料摩爾質量、電極面容量、克容量、活性材料/導電劑/電解質/粘結劑的比例(根據實際情況修改電池設計參數)、 不同SOC狀態下的電壓、電阻等，這些默認值都是該團對長期工作中積累的數值，當然材料參數值也可以根據自己的實際情況修改。

第二步，輸入電池模組、PACK、電芯設計參數，以及應用新能源汽車類型。

Number of packs per vehicle (parallel or series)，每兩汽車的PACK數量;

Vehicle type (microHEV, HEV-HP, PHEV, EV)，電動汽車類型，主要包括微型混合動力、混合動力、插入式混合動力、純電動，每種類型主要利用電池PACK的總能量比例不同，而且可能根據不同的材料變化，默認值如下表所示。

Target battery pack power, kW，電池PACK目標功率;

電池PACK組成如下圖所示，電芯通過串并聯組成模組，幾個模組串并聯組成PACK。 Cells per module每個模組的電芯個數，Cells in parallel每個模組的電芯并聯數，Modules in a row在PACK中串聯的模組數，Number of rows of modules in a pack在PACK中的模組串聯數。

Energy requirement of vehicle on UDDS cycle (default = 250), Wh/mile，美國UDDS標準中規定的工況條件下電動汽車的能量要求，默認值250Wh/mile。

Pack capacity (Ah)，Pack energy (kWh)和Vehicle range (miles)，Pack容量、能量或者汽車里程，三者任填一個。

Stacking，電芯的疊片形式，分為兩種傳統的鋰電池形式和雙極板串聯式。 如下圖所示，傳統形式由正極極片、隔膜和負極組成基本單元，然后電芯是由幾個基本單元并聯組成的; 雙極板形式是雙極板集流體一側為正極、一側為負極，依次串聯組成電芯。 雙極板形式減少了集流體數量，節省了電池內部空間，能量密度更高。

而且雙極板形式，集流體中電流傳輸方向為集流體厚度方向，傳輸距離比傳統形式更短，電阻更低。

第三步，輸入以上參數，該工具自動計算電池和電池組的設計參數和性能參數 ，具體包括：

下圖是采用該工具設計的固態電池實例，Materials和Cathode design是輸入參數，其他采用默認值，后面的就是自動計算的數值，列出了正極的厚度、重量，電池質量、體積、能量密度等。

下圖展示了電解質厚度和N/P比值對電池性能的影響，以及不同電解質采用傳統電池疊片設計和雙極板設計的能量密度對比。

審核編輯：湯梓紅