微米矽/奈米矽作為鋰離子電池負極材料之放電性能模擬

The Simulation of the Lithium-ion Batteries With Micro/Nano scaled Silicon Anode

張剛獻(Kang-Hsien Chang)

指導教授 ： 顏溪成

國立臺灣大學/工學院/化學工程學研究所/碩士(2016年)

https://doi.org/10.6342/NTU201601313

摘要

鋰離子電池因為具有高能量密度、高電位、放電平台穩定、工作溫度區間大、高可逆性、低自放電率等等優勢，近年來已廣泛應用於小型電子產品。隨著材料以及製程的發展，電能效率以及操作電壓的提升，高功率的鋰電池應用於電動車的環境也越來越普遍。
本研究主要從基本原理出發，推導非線性的擴散行為，以此修正Fick’s Law。而此鋰離子數學模擬系統以電化學為基礎，透過熱力學、輸送現象、歐姆定律、電極動力學等等理論的輔助之下，轉換為複數的數學關係式，接著利用數值方法來收斂尋找實數解、以程式軟體進行擬合找出參數。最後利用找出的參數進行兩組電池(微米矽/奈米矽)在不同電流環境下對不同參數的反應程度之研究。
模擬結果顯示在不同電流環境之下，比起線性擴散，非線性擴散行為能更正確的描述電池放電行為。在低電流環境以及接近放電終點時線性擴散的擬合結果與非線性擴散的擬合結果相近。電池在不同電流環境下對參數反應的趨勢大致相同、程度各異。在趨勢方面，減小電極材料顆粒粒徑、增加電極材料厚度、增加固相擴散係數、降低孔隙度都可以提升單位體積的能量密度。

關鍵字

鋰離子電池 ； 矽負極材料 ； 多孔性電極

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Li-ion batteries ； Si electrode ； Porous electrode

參考文獻

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