电流密度、温度、阴极孔隙率和N_(2)溶解度因子对Li-N_(2)电池放电性能的影响.pdfVIP

第42卷第1期可再生能源Vol.42No.1

2024年1月RenewableEnergyResourcesJan.2024

电流密度、温度、阴极孔隙率和N²溶解度因子对

Li-N²电池放电性能的影响

赵旭东，薛红涛12，汤富领12

（1.兰州理工大学材料科学与工程学院，甘肃兰州730050；2.兰州理工大学有色金属先进加工与再利用

国家重点实验室，甘肃兰州730050）

摘要：Li-N2电池是一种具有电化学固氮功能的新型储能系统，文章利用有限元软件COMSOL耦合多物理

场建立的电化学模型能揭示各因素对其放电性能的影响。模拟结果表明：放电电流密度、温度、阴极孔隙率和电

解液中的N,溶解度因子对Li-N2电池的放电性能均有影响；较大的放电电流密度会降低该电池的电压和容

量；阴极孔隙率和电解液中的N2溶解度因子是影响该电池电压和容量的关键性因素，提高阴极孔隙率和电解

液中的N2溶解度因子均能增加该电池的电压和容量；电池放电的平台电压随温度升高而升高，但放电容量几

乎不受温度影响。

关键词：Li-N2电池；有限元分析；COMSOL；放电过程

中图分类号：TM911文献标志码：A文章编号：1671-5292(2024)01-0009-07

0引言数值模拟作为一种研究手段，它既可以和试

碱金属离子电池是具有大容量高比能量的二验手段互为支撑，又可以在一定的数据基础之上

次电池系统，其中金属-气体电池应用潜力巨大，做预测性研究,因此,其在各个领域应用广泛。有

备受研究者关注。近年来,在Li-O2电池基础上，研究者通过数值模拟优化了光伏电池的风冷方案

Li,Na,Al等金属-气体电池迅速发展2,涌现出一和太阳能光伏外遮阳结构等[9,10,均取得了理想的

批具有良好性能和应用前景的新型金属-气体电模拟结果。鉴于数值模拟有此优势,本文在Li-O2

池,如Li-CO,9,Na-CO,用,AI-N,和Li-N2电池[5.]。电池模拟基础上Ⅲ,以锂金属为负极,多孔碳电极

张新波提出的Li-N²电池是一种新型电池体系，为正极,电解液以参数(Lit扩散系数、Lit在电解质

它不仅可以作为储能装置，而且为电化学可逆固中的电导率、Lit迁移数、Lit在电解质中的初始浓

氮提供了新思路，不足之处是,虽然Li-N2电池的度)形式定义,构建一维Li-N²电池模型。在此模

理论容量可高达2311mAh/g，但它的理论电压仅型基础上，探究放电电流密度、温度、阴极孔隙率

为0.54Vl。一方面,低电压限制了其在电化学储以及电解液中的N2溶解度因子等因素对电池电

能方面的实际应用；另一方面，作为一种新型电化压和容量的影响。

学固氮装置，其还需要进一步深人研究。若能提1模拟方法

高电池理论电压，兼顾电化学储能和电化学固氮1.1电池模型建立

两方面的性能,该电池将有广阔的应用前景。该建立一维Li-N2电池模型，经网格剖分后的

电池体系被提出后，很多研究者对其进行了一系模型如图1所示。该电池体系以金属锂为负极，由

列改良,如通过添加石墨烯或Mo2C纳米粒子来改于金属锂负极上的反应比多孔碳正极上的氧化还

进电极体系，以进行固氮并实现更好的稳定性和原反应速率更快，且电极过电势小,因此可忽略其

电化学过程7.8。尽管研究人员在Li-N2电池方面电极厚度对电池反应的影响，将其在模型中简化

进行了大量研究工作，但对电池材料-性能相关为点；正极总长度为0.75mm，隔膜长度为0.05

性的全面研究很少，尤其是用数值模拟的方法探mmll;网格设置采用用户控制网络,几何模型网

究放电过程及其影响因素等方面的研究。格的最大单元为0.008mm。

收稿日期：2022-03-01。

基金项目：国家自然科学基金项目。

通信作者：汤富领(1973-）,男,河南开封人,博士,教授,研究方向为新能源材料计算与设计。E-mail:tl@lut.edu.cn