锂离子电池电解液电化学仿真参数测定方法及装置.pdf

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1、(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202410034706.3(22)申请日 2024.01.10(71)申请人 清华四川能源互联网研究院地址 610000 四川省成都市湖畔路北段366号天府新经济产业园A区(72)发明人 李棉刚梁惠施贡晓旭周奎林俊史梓男孙爱春(74)专利代理机构 成都睿道专利代理事务所(普通合伙)51217专利代理师 薛波(51)Int.Cl.G16C 20/10(2019.01)G06F 30/20(2020.01)G16C 20/20(2019.01)G16C 20/70(2019.01)(54)发明名称锂。

2、离子电池电解液电化学仿真参数测定方法及装置(57)摘要本发明涉及锂离子电池测试技术领域，尤其是提供一种锂离子电池电解液电化学仿真参数测定方法及装置，包括利用阻塞电极电池实验装置进行电压阶跃实验，得到电压阶跃实验结果；构建与阻塞电极电池实验装置匹配的阻塞电极电池电压阶跃仿真模型；利用阻塞电极电池电压阶跃仿真模型，获取电压阶跃仿真结果；基于电压阶跃实验结果、电压阶跃仿真结果对电解液电化学参数进行寻优，并利用机器学习算法计算出电解液电化学参数。该锂离子电池电解液电化学仿真参数测定方法，无需设计浓差电池构造，也不依赖与多种电化学技术的结合，即可快速获取准确度较高的电解液电化学参数，提高锂离子电池电化学。

3、仿真模型的精度，为锂离子电池的研究和应用提供重要支持。权利要求书2页 说明书6页 附图3页CN 117542431 A2024.02.09CN 117542431 A1.锂离子电池电解液电化学仿真参数测定方法，其特征在于，包括如下步骤：利用阻塞电极电池实验装置进行电压阶跃实验，得到电压阶跃实验结果；构建与阻塞电极电池实验装置匹配的阻塞电极电池电压阶跃仿真模型；利用阻塞电极电池电压阶跃仿真模型，获取电压阶跃仿真结果；基于电压阶跃实验结果、电压阶跃仿真结果对电解液电化学参数进行寻优，并利用机器学习算法计算出电解液电化学参数。2.根据权利要求1所述的锂离子电池电解液电化学仿真参数测定方法，其特征在于。

4、，利用阻塞电极电池实验装置进行电压阶跃实验，得到电压阶跃实验结果，包括：根据预设电解液浓度、预设温度、预设电压在阻塞电极电池实验装置中进行从0至预设电压的阶跃实验，得到电压阶跃实验结果并根据阶跃实验的测试时长绘制实验阶跃电流曲线。3.根据权利要求2所述的锂离子电池电解液电化学仿真参数测定方法，其特征在于，构建与阻塞电极电池实验装置匹配的阻塞电极电池电压阶跃仿真模型，包括：利用仿真软件构建与阻塞电极电池实验装置长度、面积、电极匹配的电解槽仿真模型；将预设电压作为电解槽仿真模型一端的边界条件，并将电解槽仿真模型另一端的边界条件配置为固相电势0。4.根据权利要求3所述的锂离子电池电解液电化学仿真参数。

5、测定方法，其特征在于，利用阻塞电极电池电压阶跃仿真模型，获取电压阶跃仿真结果，包括：阻塞电极电池电压阶跃仿真模型基于液相电荷守恒方程和液相质量守恒方程控制电解液，基于固相欧姆定律控制电极；输入预设电压，进行仿真时长为阶跃实验的测试时长的电压阶跃仿真，得到电压阶跃仿真结果并绘制仿真阶跃电流曲线。5.根据权利要求1至4任一项所述的锂离子电池电解液电化学仿真参数测定方法，其特征在于，基于电压阶跃实验结果、电压阶跃仿真结果对电解液电化学参数进行寻优，包括：基于相同电解液浓度、温度、电压下的电压阶跃实验结果和电压阶跃仿真结果的均方根误差为最小目标，对电解液电化学参数进行寻优。6.根据权利要求5所述的锂离。

6、子电池电解液电化学仿真参数测定方法，其特征在于，均方根误差的表达式为：式中，表示均方根误差、表示阶跃电流曲线中的不同点，表示点的数量、表示不同的阶跃电压，表示阶跃电压实验次数；表示阶跃电压为 时点 的电压阶跃仿真结果、表示阶跃电压为 时点 的电压阶跃实验结果。7.根据权利要求6所述的锂离子电池电解液电化学仿真参数测定方法，其特征在于，利用机器学习算法计算出电解液电化学参数，包括：基于采用粒子群算法，以电压阶跃实验结果和电压阶跃仿真结果之间最小均方根误差权利要求书1/2 页2CN 117542431 A2为优化目标计算输出电导率、扩散系数、阳离子迁移数和活性相关系数。8.锂离子电池电解液电化学仿。

7、真参数测定装置，其特征在于，包括权利要求1至7任一项所述的锂离子电池电解液电化学仿真参数测定方法，该装置包括：阻塞电极电池实验装置，用于进行电压阶跃实验，得到电压阶跃实验结果；阻塞电极电池电压阶跃仿真模块，用于构建与阻塞电极电池实验装置匹配的阻塞电极电池电压阶跃仿真模型，并进行电压阶跃仿真实验，得到电压阶跃仿真结果；优化模块，用于利用电压阶跃实验结果、电压阶跃仿真结果对电解液电化学参数进行寻优，并利用机器学习算法计算出电解液电化学参数。9.根据权利要求8所述的锂离子电池电解液电化学仿真参数测定装置，其特征在于，所述阻塞电极电池实验装置包括电解槽、惰性电极以及外部导线，所述电解槽内填充有电解液且。

8、密闭设置，所述惰性电极设有两个，两个所述惰性电极对称设于电解槽两端的内壁上，惰性电极与电解槽的内壁尺寸匹配，所述外部导线与惰性电极之间电连接，外部导线用于连接电化学测试设备。权利要求书2/2 页3CN 117542431 A3锂离子电池电解液电化学仿真参数测定方法及装置技术领域0001本发明涉及锂离子电池测试技术领域，具体而言，涉及一种锂离子电池电解液电化学仿真参数测定方法及装置。背景技术0002锂离子电池电解液作为锂离子电池的重要组成部分，其性质对电池的性能和安全性尤为重要，因此，电解液参数的准确测量对于锂离子电池研发和正向设计至关重要。0003目前，基于伪二维模型的电化学仿真是锂离子电池正。

9、向设计的重要技术手段之一，模型精度与电解液性质参数的准确性息息相关；该电化学仿真模型基于浓溶液理论所推导出的液相电荷守恒方程、液相质量守恒方程被广泛应用于电解液参数的测量，其中主要涉及电导率、扩散系数、阳离子迁移数以及活性相关系数，进而对这些参数的测量也成为了锂离子电池研发的重要方向；然而，由于这些参数同时具有浓度和温度的相关性，且电解液宏观特性源自多参数的耦合表现，导致其测量过程往往较为繁琐且准确性交底；现有技术中，通过构建浓差电池并测量电化学信号的方式计算电解液参数以及通过优化算法拟合电化学测试结果等方法，存在操作困难、受浓度影响大以及测量精确度不高等问题。发明内容0004本发明的目的在于。

10、提供一种锂离子电池电解液电化学仿真参数测定方法及装置，用以解决现有锂离子电池电解液电化学参数测定难度大、准确度低的技术问题，为构建锂离子电池的高精度仿真模型提供可靠参数。0005本发明第一方面的技术方案提供了一种锂离子电池电解液电化学仿真参数测定方法，包括如下步骤：利用阻塞电极电池实验装置进行电压阶跃实验，得到电压阶跃实验结果；构建与阻塞电极电池实验装置匹配的阻塞电极电池电压阶跃仿真模型；利用阻塞电极电池电压阶跃仿真模型，获取电压阶跃仿真结果；基于电压阶跃实验结果、电压阶跃仿真结果对电解液电化学参数进行寻优，并利用机器学习算法计算出电解液电化学参数。0006进一步地，利用阻塞电极电池实验装置进。

11、行电压阶跃实验，得到电压阶跃实验结果，包括：根据预设电解液浓度、预设温度、预设电压在阻塞电极电池实验装置中进行从0至预设电压的阶跃实验，得到电压阶跃实验结果并根据阶跃实验的测试时长绘制实验阶跃电流曲线。0007进一步地，构建与阻塞电极电池实验装置匹配的阻塞电极电池电压阶跃仿真模型，包括：利用仿真软件构建与阻塞电极电池实验装置长度、面积、电极匹配的电解槽仿真模型；说明书1/6 页4CN 117542431 A4将预设电压作为电解槽仿真模型一端的边界条件，并将电解槽仿真模型另一端的边界条件配置为固相电势0。0008进一步地，利用阻塞电极电池电压阶跃仿真模型，获取电压阶跃仿真结果，包括：阻塞电极电池。

12、电压阶跃仿真模型基于液相电荷守恒方程和液相质量守恒方程控制电解液，基于固相欧姆定律控制电极；输入预设电压，进行仿真时长为阶跃实验的测试时长的电压阶跃仿真，得到电压阶跃仿真结果并绘制仿真阶跃电流曲线。0009进一步地，基于电压阶跃实验结果、电压阶跃仿真结果对电解液电化学参数进行寻优，包括：基于相同电解液浓度、温度、电压下的电压阶跃实验结果和电压阶跃仿真结果的均方根误差为最小目标，对电解液电化学参数进行寻优。0010进一步地，均方根误差的表达式为：0011式中，表示均方根误差、表示阶跃电流曲线中的不同点，表示点的数量、表示不同的阶跃电压，表示阶跃电压实验次数；表示阶跃电压为 时点 的电压阶跃仿真结。

13、果、表示阶跃电压为 时点 的电压阶跃实验结果。0012进一步地，利用机器学习算法计算出电解液电化学参数，包括：基于采用粒子群算法，以电压阶跃实验结果和电压阶跃仿真结果之间最小均方根误差为优化目标计算输出电导率、扩散系数、阳离子迁移数和活性相关系数。0013本发明第二方面的技术方案提供了一种锂离子电池电解液电化学仿真参数测定装置，包括本发明第一方面技术方案中任一项所述的锂离子电池电解液电化学仿真参数测定方法，该装置包括：阻塞电极电池实验装置，用于进行电压阶跃实验，得到电压阶跃实验结果；阻塞电极电池电压阶跃仿真模块，用于构建与阻塞电极电池实验装置匹配的阻塞电极电池电压阶跃仿真模型，并进行电压阶跃仿。

14、真实验，得到电压阶跃仿真结果；优化模块，用于利用电压阶跃实验结果、电压阶跃仿真结果对电解液电化学参数进行寻优，并利用机器学习算法计算出电解液电化学参数。0014进一步地，所述阻塞电极电池实验装置包括电解槽、惰性电极以及外部导线，所述电解槽内填充有电解液且密闭设置，所述惰性电极设有两个，两个所述惰性电极对称设于电解槽两端的内壁上，惰性电极与电解槽的内壁尺寸匹配，所述外部导线与惰性电极之间电连接，外部导线用于连接电化学测试设备。0015本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：本发明提供的锂离子电池电解液电化学仿真参数测定方法及装置，通过阻塞电极电池实验装置获取电压阶跃实验结果、通过阻塞电。

15、极电池电压阶跃仿真模型获取电压阶跃仿真结果，进而利用电压阶跃实验结果、电压阶跃仿真结果对电解液电化学参数进行寻优，说明书2/6 页5CN 117542431 A5并利用机器学习算法计算出电解液电化学参数；该锂离子电池电解液电化学仿真参数测定方法，测试方法简单，无需设计浓差电池构造，也不依赖与多种电化学技术的结合，即可快速获取准确度较高的电解液电化学参数，提高锂离子电池电化学仿真模型的精度，为锂离子电池的研究和应用提供重要支持。附图说明0016图1为本发明实施例提供的锂离子电池电解液电化学仿真参数测定方法的流程示意图；图2本发明实施例提供的阻塞电极电池实验装置的结构示意图；图3为本发明实施例提供。

16、的阶跃电流曲线的示意图；图4为本发明实施例提供的锂离子电池电解液电化学仿真参数测定装置的结构示意图；图标：100电解槽，200惰性电极，300外部导线。具体实施方式0017为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。0018本说明书中使用了流程图用来说明根据本说明书的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或后面操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，可以按照倒序或同时。

17、处理各个步骤。同时，也可以将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。0019请参见图1所示，本发明第一方面的技术方案提供一种锂离子电池电解液电化学仿真参数测定方法，包括如下步骤：步骤S100：利用阻塞电极电池实验装置进行电压阶跃实验，得到电压阶跃实验结果；步骤S100具体包括：步骤S110：根据预设电解液浓度、预设温度、预设电压在阻塞电极电池实验装置中进行从0至预设电压的阶跃实验，得到电压阶跃实验结果并根据阶跃实验的测试时长绘制实验阶跃电流曲线；具体地，当从0开始的电压阶跃通过阻塞电极电池时，阻塞电极电池的电流会从阶跃至某一电流，然后逐渐下降至0，因此当预设电压不同时，阻塞。

18、电极电池的电流阶跃所达到的最大电流以及恢复至0电流的时间是不同的；所以本实施例中，可根据不同电解液浓度、不同温度、不同电压分别进行阶跃实验，例如，将预设浓度的电解液注满实验电解槽，密闭后置于预设温度的实验环境下至恒温，然后可根据不同的预设电压分别进行阶跃实验，得到不同预设电压下的电压阶跃实验结果；进而通过改变预设浓度和预设温度得到不同电解液浓度、不同温度条件、不同电压条件下的电压阶跃实验结果；通过不同条件下的电压阶跃实验，可避免单一电压阶跃实验可能带来的误差，还可获取阶跃电流随电解液浓度以及实验环境温度的变化信息；需要说明的是，在更换不同电解液浓度进行阶跃实说明书3/6 页6CN 117542。

19、431 A6验时，需预先采用蒸馏水清洗实验电解槽并用目标浓度的电解液对实验电解槽进行润洗；具体地，阻塞电极电池实验装置制备时，首先根据预设体积制备密闭的实验电解槽，可配置为长方体、圆柱体等结构，其材料可采用玻璃或特氟龙等常用的电化学池制备材料；然后在实验电解槽的两端内壁分别紧密安装相同的惰性电极，惰性电极与实验电解槽的内壁端面匹配，惰性电极可配置为Pt、Au等不与电解液发生电化学反应的电子导体，然后在惰性电极上引出用于连接电化学测试设备的外部导线即可；需要注意的是，惰性电极的面积应配置为与实验电解槽两端的内壁尺寸一致；如图2所示，图2为一种阻塞电极电池实验装置的实施结构：图2中实验电解槽为长方。

20、体结构，其长度为L、两端面积均为S；如图3所示，图3中记录了预设电压为时对应实验阶跃电流曲线的示意图，图3中表示电压、表示电流，从图3中可以理解的是，当电压从0阶跃至时，阻塞电极电池实验装置内部电解液中离子电荷因两端惰性电极的电势差而发生移动，从而在瞬间产生电流；进而随着离子电荷在两端惰性电极表面不端积累（不发生电化学反应），阻塞电极电池实验装置内部产生与预设电压相反的电势差，从而不断减弱电解液中离子电荷受到的电势驱动力，离子电荷移动产生的电流不断减小，直到阻塞电极电池实验装置两端惰性电极积累电荷产生的电势差与预设电压完全抵消，电流降低为0。0020步骤S200：构建与阻塞电极电池实验装置匹配。

21、的阻塞电极电池电压阶跃仿真模型；步骤S200具体包括：步骤S210：利用仿真软件构建与阻塞电极电池实验装置长度、面积、电极匹配的电解槽仿真模型；具体地，可采用例如COMSOL、Ansys、Python、Matlab、Python等仿真软件构建与上述实验电解槽的长度、面积、电极等参数匹配的电解槽仿真模型；步骤S220：将预设电压作为电解槽仿真模型一端的边界条件，并将电解槽仿真模型另一端的边界条件配置为固相电势0；其中，步骤S220中的预设电压即为上述步骤S110中相同的预设电压；步骤S300：利用阻塞电极电池电压阶跃仿真模型，获取电压阶跃仿真结果；步骤S300具体包括：步骤S310：阻塞电极电池。

22、电压阶跃仿真模型基于液相电荷守恒方程和液相质量守恒方程控制电解液，基于固相欧姆定律控制电极；其中，液相电荷守恒方程的表达式为：0021液相质量守恒方程的表达式为：0022固相欧姆定律的表达式为：说明书4/6 页7CN 117542431 A70023式中，为电解液电导率、为电解液阳离子迁移数、为电解液活性相关系数、为电解液扩散系数、和分别为液相电势和固相电势、为电解液浓度、为固体电极电导率、为温度、和 分别为理想气体常数和法拉第常数、表示偏微分符号、表示时间、表示空间坐标；液相电荷守恒方程和液相质量守恒方程用于描述电解液中的电荷传输和物质扩散，固相欧姆定律用于描述固相电极中的电势分布；这些方程。

23、考虑了电解液的电导率、迁移数、活性相关系数以及扩散系数等参数，以及固体电极的电导率；这些仿真模型控制方程来自于锂离子电池电化学仿真模型，因此仿真结果在锂离子电池电化学仿真中具有高度兼容性，适用性更好。0024步骤S320：输入预设电压，进行仿真时长为阶跃实验的测试时长的电压阶跃仿真，得到电压阶跃仿真结果并绘制仿真阶跃电流曲线；具体地，通过求解液相电荷守恒方程、液相质量守恒方程和固相欧姆定律，可以得到电解槽仿真模型在施加预设电压后的响应，得到电压随时间的变化并绘制仿真阶跃电流曲线。0025步骤S400：基于电压阶跃实验结果、电压阶跃仿真结果对电解液电化学参数进行寻优，并利用机器学习算法计算出电解。

24、液电化学参数；步骤S400具体包括：步骤S410：基于相同电解液浓度、温度、电压下的电压阶跃实验结果和电压阶跃仿真结果的均方根误差为最小目标，对电解液电化学参数进行寻优。0026其中，均方根误差的表达式为：0027式中，表示均方根误差、表示阶跃电流曲线中的不同点，表示点的数量、表示不同的阶跃电压，表示阶跃电压实验次数(即电压阶跃仿真次数)；表示阶跃电压为 时点 的电压阶跃仿真结果、表示阶跃电压为 时点 的电压阶跃实验结果；0028步骤S420：基于采用粒子群算法，以电压阶跃实验结果和电压阶跃仿真结果之间最小均方根误差为优化目标计算输出电导率、扩散系数、阳离子迁移数和活性相关系数；步骤S420具。

25、体包括：步骤S421：初始化粒子群参数：预设粒子群数量、粒子维度、迭代次数、惯性权重、个体学习因子和种群学习因子，例如粒子群数量为50、粒子维度为4（代表4个待识别的电解液电化学参数）、迭代次数1000、惯性权重0.5、个体学习因子2、种群学习因子2；步骤S422：随机初始化粒子位置与速度：在预设范围内随机初始化每个粒子的位置（代表一个可能的解）和速度，计算当前个体最优位置、种群最优位置、个体最优适应值（即RMSE值）和种群最优适应值；步骤S423：迭代优化：判断是否达到最大迭代次数，若未达到最大迭代次数则更新每个粒子的位置和速说明书5/6 页8CN 117542431 A8度，并计算更新个体。

26、、种群的历史最优位置与最优适应值；若到达最大迭代次数则输出最优解，输出结果即为待测定的电导率、扩散系数、阳离子迁移数和活性相关系数；本实施例通过计算均方根误差，可以量化实验结果和仿真结果之间的差异，从而确定优化目标并指导参数优化的方向；利用粒子群算法进行优化可寻找到均方根误差最小化的电解液电化学参数，从而提高仿真结果与实验结果的拟合度，从而获得更准确的电解液电化学参数，为锂离子电池的设计和优化提供更可靠的参考；需要说明的是，本实施例提供了粒子群优化算法求解电解液电化学参数，还可采用遗传算法、梯度下降法等优化算法或其他机器学习算法来确定电解液电化学参数。0029请参见图2和图4所示，本发明第二方。

27、面的技术方案提供了一种锂离子电池电解液电化学仿真参数测定装置，包括本发明第一方面技术方案中任一项所述的锂离子电池电解液电化学仿真参数测定方法，该装置包括：阻塞电极电池实验装置，用于进行电压阶跃实验，得到电压阶跃实验结果；阻塞电极电池电压阶跃仿真模块，用于构建与阻塞电极电池实验装置匹配的阻塞电极电池电压阶跃仿真模型，并进行电压阶跃仿真实验，得到电压阶跃仿真结果；优化模块，用于利用电压阶跃实验结果、电压阶跃仿真结果对电解液电化学参数进行寻优，并利用机器学习算法计算出电解液电化学参数。0030优选的，所述阻塞电极电池实验装置包括电解槽100、惰性电极200以及外部导线300，所述电解槽100内填充有。

28、电解液且密闭设置，所述惰性电极200设有两个，两个所述惰性电极200对称设于电解槽100两端的内壁上，惰性电极200与电解槽100的内壁尺寸匹配，所述外部导线300与惰性电极200之间电连接，外部导线300用于连接电化学测试设备（图中未示出）。0031综上，本申请提供的锂离子电池电解液电化学仿真参数测定方法及装置，通过将实验测试和模型仿真相耦合，利用优化算法获取最优电解液电化学参数，该测定装置结构简易，测定方法简单，不涉及浓差电池构造，不依赖于多种电化学技术的结合，具有方便易行、高精度的优点。0032上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述详细披露仅仅作为示例，而并不构成对。

29、本说明书的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本说明书进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本说明书中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本说明书示范实施例的精神和范围。0033最后，应当理解的是，本说明书中所述实施例仅用以说明本说明书实施例的原则。其他的变形也可能属于本说明书的范围。因此，作为示例而非限制，本说明书实施例的替代配置可视为与本说明书的教导一致。相应地，本说明书的实施例不仅限于本说明书明确介绍和描述的实施例。说明书6/6 页9CN 117542431 A9图1说明书附图1/3 页10CN 117542431 A10图2图3说明书附图2/3 页11CN 117542431 A11图4说明书附图3/3 页12CN 117542431 A12。