基于电化学-热耦合模型的锂离子电池组件产热分析北大核心CSCD

研究电池电化学过程产热对锂离子电池的热管理至关重要。本工作建立了三元NMC锂离子电池的电化学-热耦合模型,首先通过对该电池进行不同倍率的放电与温度实验测试,验证了该模型在电压和温度变化预测准确性。然后针对不同温度下的表现进行模拟仿真研究。在室温下,无论倍率大小,负极产热总是小于正极产热,虽然负极的极化热高于正极,但其可逆吸热较大,导致产热水平低于正极。而随着放电倍率的增加,正极产热所占比例减小,负极所占比例先增加后减小,而集流体产热所占比例持续增加。然而,低温条件下的电池放电表现出与室温情况不同的产热特性,首先,低温导致低倍率负极产热率比例大大增加,负极可逆热为总可逆热的主要贡献热。而高倍率负极产热率减少,正极则呈相反趋势。其次在低温下放电时间随倍率增加呈现不同趋势,高倍率下放电电压快速降低导致放电不完全,在低倍率0.5~1 C放电运行时出现了电压反弹现象但基本放电完全,这是由于低温限制了负极颗粒内部锂离子及时向外扩散,造成电阻增加与电压快速降低,同时大量产热导致自身温升,从而在低倍率下获得电压反弹并保持持续放电的能力。     

基于三维电化学热耦合析锂模型的锂离子电池参数设计

锂离子电池负极析锂可能会诱发热失控,进而导致安全事故。而通过优化电池设计参数能够有效减少析锂副反应的发生,因此本工作提出一种基于三维电化学热耦合析锂模型的锂离子电池参数设计优化方法。首先,将模型参数进行分类,分别采用实验、精确测量、文献查找和参数辨识等方法获取相应的参数。同时加入可逆锂重嵌入机制和产热模型,建立三维电化学热耦合析锂模型。模型建立完成后,对模型精度进行验证,验证结果表明模型可以较好地模拟电池在常温和低温下端电压的变化,并且能够定量描述在低温大倍率充电期间电池内部的析锂程度、温度分布等非均一现象。最后,通过分析电极尺寸和极耳位置,研究电池设计参数对非均一析锂的影响。仿真结果表明：电极长度增加会导致电极区域温度差异和电流密度的不一致性增大,综合影响下使电池析锂时间略有提前,但对电池总体析锂程度影响较小;电池极耳位置处于长度方向的轴线对侧时能够有效缓解负极析锂,相对析锂程度降低了16.7%。     

锂离子电池组的三维电化学-热耦合仿真分析北大核心CSCD

锂离子电池广泛用于新能源汽车等领域。为了便于设计高效的电池热管理方案,提高电池耐久性,建立了三维电化学-热耦合模型,该模型能够从时间与空间上反映电芯产热率与电池单体温度分布,用于预测极片不同部分的电特性与电池单体温度分布。3个单体并联的电池组热模型由3个单体尺寸的热模型组成,每一个热模型皆与极片尺寸的三维电化学模型耦合。实验数据验证了该三维电化学-热耦合模型的有效性。其中,电池单体端电压平均绝对误差不超过0.016 V,温度的平均绝对误差不超过0.36℃;电池组各表面的温度平均误差不超过0.40℃。深入分析表明:正极材料中的电流密度与放电深度和电化学反应区域有关。在放电的前中期,电化学反应区域主要在凸缘处,此时凸缘处电流密度最高;在放电后期,电化学反应区域主要在正极材料的底部,此时底部的电流密度大于凸缘处。此外,电池组的温度不是电池单体温度数值上的简单叠加,中间电池温度比两侧电池温度高,且在电池组边界条件一致时,两侧电池温度成对称分布。电池组之间存在空气不流通而引起的温度聚集效应。减少电池组间的空隙、在其中加入热导率大的材料作为传热介质能有效降低中间电池的温度。     

锂离子电池富镍三元正极材料NCM的研究进展

正极材料作为锂离子电池的四大核心材料之一,是锂离子电池电化学性能的决定性因素。其中,富镍三元正极材料LiNi_xCo_yMn_1.x.yO₂(NCM,x≥0.6)因其较高的比容量和卓越的倍率性能等优点被广泛关注,被认为是下一代锂离子电池中最具有发展潜力的正极材料之一。然而,富镍三元正极材料存在的循环稳定性差、热稳定性差以及安全性能低等缺点,限制了其在电动汽车和混合动力汽车等方面的大规模应用。因此,富镍三元正极材料NCM的研究对于完善当前锂离子电池体系有着重要的意义。随着材料制备方法的不断改进,富镍三元正极材料的电化学性能得到了显著的提高。本文综述了近年来富镍三元正极材料的研究进展,依据富镍三元正极材料NCM的晶体结构以及阳离子混排、循环稳定性差、材料表面残碱和表面副反应等失效机理方面展开,重点阐述了通过元素掺杂、表面包覆、掺杂包覆一体化、单晶化、构建核壳结构和浓度梯度的方法对其电化学性能的改善,并对富镍三元正极材料在锂离子电池的应用和未来的研究方向做出展望。     

锂离子电池电化学仿真技术综述

锂离子电池是一个多尺度、多物理场的系统.在进行锂离子电池正向开发过程中需要考虑诸多电芯设计和工艺设计因素.在材料层面,有正负极的活性物质、导电剂、黏结剂、电解液的物理化学性能;在极片层面,有极片的孔隙率、涂层厚度、极片尺寸等因素;在电芯层面,有极片的叠片或者卷绕的方式、集群的排布方式等因素.因此需要花费大量的时间进行反...     

基于锂离子电池热失控模型的电热耦合滥用条件分析

由锂离子电池热失控引发的各类安全问题是目前电动汽车和大规模储能电站继续推广的一大瓶颈.电、热滥用是引发电池热失控的关键原因,研究锂离子电池的热失控现象对保证锂离子电池安全运行意义重大.基于锂离子电池热失控模型,系统研究了充电倍率、环境温度和散热条件等因素对锂离子电池热失控过程中电、热响应特性的影响.结果表明,相较于常温下的过充热失控过程,在过充-过热耦合作用下,电池热失控SOC会有所降低,当处于极端高温环境时,热失控在电池未充满阶段即可发生.在过热及低表面换热环境下,充电倍率对电池热失控SOC影响不大;在过热及自然对流环境下,随着充电倍率增加,电池热失控SOC提高,热失控时间提前.本研究为可靠的电池安全预警技术开发提供了支持.     

高镍三元锂离子电池火灾及气体爆炸危险性实验

高镍三元锂离子电池在电动车领域发展势头迅猛,但因为其能量密度高,在加热、过充、撞击等滥用条件下比其他已有电池更易发生严重的火灾爆炸事故,其推广应用需要进行更为严格的安全测试,本文针对NCM811锂电池进行了加热下的热失控实验,并设计了锂电池热失控气体收集装置,且对收集的电池气体进行配气完成了爆炸极限测试实验,得到0％、...     

Review on heat generation theory model of lithium-ion battery

本文根据近年来锂离子电池产热特性方面的研究,详细阐述了锂离子电池产热的基本原理,并总结了国内外锂离子电池产热模型的研究现状。重点针对电化学-热耦合模型、电-热耦合模型以及热滥用模型进行了详细综述,并在此基础上对锂离子电池热效应的研究和产热模型的建立进行了展望。     

A novel electro-thermal coupled model of lithium-ion pouch battery covering heat generation distribution and tab thermal behaviours

This paper develops an electro-thermal coupled model for a pouch battery which considers the influence of the electric potential distribution and thermal behaviours of tabs on the distributions of heat generation and temperature. This model reflects the connection between electric potential distribution and the heat generation distribution. Then, the proposed electro-thermal model is used to predict the thermal behaviour of a lithium-ion pouch battery under the conditions of various discharge currents and environmental temperatures. Tests are implemented to verify the prediction precision of the proposed thermal model. The results show that the electro-thermal coupled model can accurately predict both the temperature distribution and its rise. At 1 C discharge rate, the average mean static absolute errors (MSAEs) in the positive and negative tabs for all the ambient temperatures are 1.083 K and 0.377 K, respectively, and the average MSAE in the battery body is only 0.627 K; at the discharge rate of 3.5 C, the respective average MSAEs are 1.643 K for the positive tab, 0.581 K for the negative tab, and 0.889 K for the battery body. Last, the influence of the thermal contact resistance on the prediction of the tab temperature is studied. If it is considered in the thermal model of tabs, the predicted tab temperature is closer to the tested value and the MSAE can be limited within 2.65 K for the positive tab and 0.83 K for the negative tab in the cases researched.     

Recent progress on thermal runaway propagation of lithium-ion battery

简述了电动汽车锂离子动力电池热失控蔓延机理、建模与抑制技术的最新研究进展。为了满足汽车高能量的要求,需要动力电池进行串并联成组来提供动力。电池组成组安全问题成为电动汽车大规模应用的重要技术问题。电池组中的某一个电池单体发生热失控后产生大量热,导致周围电池单体受热产生热失控。因而,电池组成组安全问题的重要关注点是电池组内的热失控蔓延问题。本文对锂离子电池热失控蔓延问题的国内外研究进展进行了综述,分析了对于不同种类锂离子动力电池影响其热失控蔓延特性的主要因素。总结了文献中的热失控蔓延建模方法,并指出了已有方法的不足。从电池系统热安全管理的角度,阐述并分析了热失控蔓延防控技术的研究成果与方向。最后对锂离子电池热失控蔓延研究进行了展望。     

A review on thermal management techniques for lithium-ion battery

随着新能源汽车的广泛使用,动力锂离子电池的热安全性问题日益突出。本文以Bernardi生热机理为基础,耦合不同物理量,分别从电化学-热耦合模型、电-热耦合模型和热滥用模型来介绍单体电池的热特性。由于电池能量密度的增加与行驶工况复杂程度的提高,动力锂离子电池容易发生热量堆积,甚至造成热失控,对此,文中梳理了商用动力电池包的常用冷却方式。最后,根据对影响电池模组安全性的热失控蔓延机理及实测结果,介绍了阻断单体及基本模块热失控传播的有效方法。     

锂离子电池隔膜在压缩过程中的流固耦合效应

隔膜作为锂离子电池的重要组成部分,其对电池性能的影响至关重要.外载、锂离子嵌入/脱出和温度等影响导致电池组件产生应变并压缩较软的隔膜变形.多孔介质隔膜在受到压缩时的响应是由聚合物隔膜骨架的黏弹性和孔隙内部的电解液引发的孔隙弹性共同作用.为深入探讨隔膜在压缩过程中的孔隙弹性现象,本文建立了能够描述隔膜在不同应变率压缩下流...     

锂离子电池电-热耦合模型分析及其温度场仿真研究

锂离子电池由于放电过程产生大量的热,不可避免的使得电池温度升高。研究大倍率放电时的电池温升,忽略电化学反应热,进一步简化原有的生热模型。为了得到电池温度分布,从电池内部结构出发,根据电流密度在集流板上的分布以及极耳处的收缩/扩散效应,分析集流板上电流密度的分布规律,从而建立电池的电-热耦合模型。通过生热模型模拟电池放电过程的温升现象,并与实验结果对比,发现模拟结果与实验结果能够很好地吻合。文章给出了电池在不同放电倍率条件下放电终了时的温度分布图,并解释了造成这种分布现象的原因。     

A review on lithium-ion power battery thermal management technologies and thermal safety

Lithium-ion power battery has become one of the main power sources for electric vehicles and hybrid electric vehicles because of superior performance compared with other power sources.In order to ensure the safety and improve the performance,the maximum operating temperature and local temperature difference of batteries must be maintained in an appropriate range.The effect of temperature on the capacity fade and aging are simply investigated.The electrode structure,including electrode thickness,particle size and porosity,are analyzed.It is found that all of them have significant influences on the heat generation of battery.Details of various thermal management technologies,namely air based,phase change material based,heat pipe based and liquid based,are discussed and compared from the perspective of improving the external heat dissipation.The selection of different battery thermal management (BTM) technologies should be based on the cooling demand and applications,and liquid cooling is suggested being the most suitable method for large-scale battery pack charged/discharged at higher C-rate and in high-temperature environment.The thermal safety in the respect of propagation and suppression of thermal runaway is analyzed.     

A comprehensive study on thermal conductivity of the lithium-ion battery

The reliable thermal conductivity of lithium-ion battery is significant for the accurate prediction of battery thermal characteristics during the charging/discharging process. Both isotropic and anisotropic thermal conductivities are commonly employed while exploring battery thermal characteristics. However, the study on the difference between the use of two thermal conductivities is relatively scarce. In this study, the isotropic and anisotropic thermal conductivities of the four commercially available lithium-ion batteries, ie, LiCoO₂, LiMn₂O₄, LiFePO₄, and Li (NiCoMn)O₂, were reviewed and evaluated numerically through the heat conduction characteristics inside the battery. The results showed that there are significant differences in the temperature distribution in the battery caused by the isotropic and anisotropic thermal conductivities, which could affect the layout and cooling effectiveness of battery thermal management system. Furthermore, the effective thermal conductivities of porous electrodes and separator were determined to establish thermal conductivity bounds of lithium-ion batteries combined with the thicknesses of battery components. The thermal conductivity bounds could be applied to evaluate the rationality of the thermal conductivity data used in battery thermal models.