基于comsol的磁场对锂电池的影响仿真

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磁场主要机制

       磁现象的起源来自于电荷的运动。原子是所有宏观物质的基本单位，由原子核和核外电子组成。所有的原子都因其电子运动而具有磁矩。因此，磁性是所有材料的固有属性，并可根据其磁特性进一步分为二磁、顺磁、铁磁和反铁磁。

       磁场在锂电池中的应用可以追溯到近二十年前。基于上述磁学理论，考虑到电池环境中磁场的影响，结合最近的报道，磁场的作用可以归结为五大机制：磁力、磁化、磁流体力学（MHD）效应、自旋效应和核磁共振。

      磁场作用对象有锂离子传输通道、锂离子本身、电荷等等，磁场作为一种非接触式能量传递方法，合理使用磁场可以对制备电极材料、促进循环性能、帮助监测电池健康和帮助LIB的回收产生积极影响。

图4. a) 磁场磁化的简略概貌。锌铁氧体纳米颗粒在磁场中被磁化成有序排列。b) MHD效应示意图。Li+在磁场中受到洛伦兹力的作用，产生MHD效应。c) 自旋效应示意图。MoS2催化剂在磁场下降低了电子自旋能垒，提高了催化效率。d) 核磁共振模型图。

      一、适当的磁场将帮助锂电池容量提升

     磁场可以诱导晶体的成核和生长，提高结构的稳定性。这种特殊的方法可以提高电子和离子的导电性。其次，通道的方向可以由磁场诱导，以促进Li+的运输。磁场可以使电池的渗透更加均匀，从而导致LIB的快速充电。模拟和实验结果表明，磁场对锂离子电池的放电/充电过程有很大影响。

      麻省理工学院（MIT）的研究者利用外部磁场将电极材料中的电荷运输孔道有序排列，制造出了区域容量比普通电极材料高3倍的电极材料，使得锂离子电池更符合电动汽车的需求。研究表明，在正常的倍率充放电实验中，利用该方法所制造的电池的区域容量为12 mAh/cm2，而普通电池仅为4 mAh/cm2。

二、锂基电池中材料的合成应用

材料的合成

磁场可以诱导形成具有特殊晶体结构的铁磁性和顺磁性材料。一般来说，当磁场参与到材料的合成过程中，成核和生长过程会发生变化，造成各向异性；这最终会影响到晶格的变化。这是由于表面能的降低、沿易轴的定向生长以及偶极子的增强。此外，值得注意的是，磁场诱导法与无模板策略相似。在磁场的帮助下，通过施加磁场可以顺利地进行Li+插入/提取的电极材料和电解质的制备。

图5. a) 磷酸铁锂阴极在磁场中的有序排列。磁性微棒b)和磁化尼龙棒c)的LiCoO2的排列示意图，以及它们的SEM图片。

三、磁场帮助提升电池的安全性。

金属锂晶枝

众所周知，利用磁场进行Cu、Co、Ni、Ni-Mo和其他金属的电沉积，可以明显地细化金属树枝的微观结构和方向。锂金属阳极的沉积/剥离过程与这些金属的电沉积是一致的，而锂枝晶的生长是由电极表面的锂离子浓度不均匀引起的，因此磁场的MHD效应有助于解决这一问题。

Li+在磁场的作用下受到洛伦兹力的影响，促进其螺旋式移动并产生磁流体效应。这种策略减少了Li+的浓度梯度和浓度极化，从而抑制了树枝状物的生长，提供了一个均匀而密集的Li层。

Li+的扩散系数与磁场强度有关，它可以改善Li+的扩散。此外，磁场的加入大大改善了半电池和全电池的循环寿命和库仑效率。

磁场对Li阳极有三种效应：i) 电极上的电流分布不均，ii) 质量转移增强，iii) Li+在Li树枝状物周围重新分布。第一个效应促进了树枝状物的生长，而后两个效应有助于防止它们的生长。

此外，研究表明与垂直磁场相比，平行磁场更有利于Li的均匀和致密生长。

磁导向和功能化的sepiolite（KFSEP）纳米线为PEO全固态锂电池提供高离子传导性。

高稳定性的定向纳米线具有抑制Li枝晶形成的功能，并为Li+扩散提供了快速移动的通道。这种方法与上述通过磁性取向制备的移动式锂离子膜相似。磁场可增强Li+扩散和抑制SEI损伤。

四、磁场在锂电池回收、材料分选中的作用，以及磁共振辅助快速检测锂电池性能。

       关于磁场的反应机制的系统研究很少。具体来说，磁场导致电化学性能改善的机制还没有被完全揭示。

       此次采用Comsol仿真不同磁场强度下对锂离子传输的影响，分析电芯性能的影响，其中通过引入磁泳力转换为电流密度，来耦合磁场对电化学的影响。

不同磁场强度下充放电曲线的变化。

不同磁场温度下的电池放电温度变化，可以看到顺磁场方向可以帮助降低锂电池工作温度。