Étude expérimentale sur les problèmes thermiques des batteries lithium-ion

Les caractéristiques thermiques des batteries lithium-ion ont une incidence directe sur leurs performances d'application (capacité, résistance interne, puissance, etc.) et sur leur sécurité thermique,qui est une préoccupation fondamentale pour les consommateursPour guider les stratégies de conception et d'utilisation des batteries et assurer leur application sûre et efficace, une recherche approfondie sur les caractéristiques thermiques dans différentes conditions de fonctionnement est cruciale.Ce document résume et analyse de manière exhaustive les progrès de la recherche sur les problèmes thermiques des batteries lithium-ion, tant du point de vue expérimental que de la simulation de modèles., en soulignant les avantages et les inconvénients des deux méthodes et en proposant des suggestions pour de futures recherches combinant les deux approches.

Actuellement, les piles rechargeables couramment utilisées sont les piles au plomb-acide, les piles au nickel-cadmium, les piles au nickel-hydrure métallique et les piles au lithium-ion.Les batteries lithium-ion sont largement utilisées dans l'électronique grand publicLes batteries électriques, les batteries de puissance et le stockage de l'énergie, en raison de leurs avantages tels qu'une longue durée de vie, un rendement de charge-décharge élevé, une énergie spécifique élevée et l'absence de pollution.Les accidents de sécurité fréquents tels que les incendies et les explosions de batteries lithium-ion ont fait des risques de sécurité thermique un goulot d'étranglement pour leur développement ultérieur.La surcharge et la surdécharge des batteries lithium-ion peuvent facilement provoquer la pénétration de dendrites dans le séparateur, entraînant des courts-circuits,ou provoquer des courts-circuits internes en raison de la compression ou de la perforationPar conséquent, en étudiant les caractéristiques thermiques de la batterie et la sécurité thermique, nous avons découvert que les batteries sont des batteries qui ne peuvent pas être utilisées par des appareils électriques.optimisation de la conception de la batterie, l'estimation des variations de température interne et l'élaboration de systèmes de gestion thermique sont d'une grande importance pour assurer le fonctionnement sûr et fiable des batteries et prolonger leur durée de vie,et éviter les accidents thermiquesActuellement, la recherche sur les problèmes thermiques des batteries lithium-ion est principalement divisée en deux catégories: la recherche expérimentale et la simulation de modèles.

1Recherche expérimentale sur la production thermique dans les batteries lithium-ion

Les méthodes expérimentales sont le principal moyen d'étudier la production thermique des batteries lithium-ion.Ils utilisent principalement des équipements calorimétriques pour surveiller les caractéristiques thermiques de la batterie dans des conditions de fonctionnement spécifiques, l'obtention précise de données sur la production thermique pour apporter un soutien fondamental à la recherche ultérieure.

1.1 Recherche expérimentale à l'aide d'un équipement calorimétrique combiné

À l'heure actuelle, les équipements de base pour les expériences de génération thermique de batteries lithium-ion sont le calorimètre accéléré (ARC) et le calorimètre isotherme (IBC).L'ARC est utilisé pour tester le comportement exothermique et la sécurité des batteries et des composants dans des conditions quasi adiabatiques., et peut effectuer des essais tels que la stabilité thermique, les propriétés thermiques du matériau, la capacité thermique spécifique, la visualisation de la fuite thermique et les essais de pénétration/compression/surcharge de l'aiguille.Le IBC maintient une température constante de la batterie grâce à un système de refroidissement, mesurant avec précision l'échange thermique entre la batterie et l'environnement extérieur dans des conditions de fonctionnement normales et dans une plage de température typique.La recherche actuelle combine souvent la calorimétrie avec des méthodes d'essai électrochimique pour explorer la relation intrinsèque entre la production de chaleur et le comportement électrochimique.

À l'aide de 18650 batteries cylindriques lithium-ion comme objet de recherche, un calorimètre et un cyclomètre de batterie multicanal ont été utilisés pour analyser les effets de la température de fonctionnement (35°C, 45°C,55°C) et le taux de charge/décharge (C/3Les résultats ont montré que la batterie libère continuellement de la chaleur pendant la décharge,et absorbe initialement la chaleur suivie d'une libération pendant la charge (la chaleur de réaction initiale domineEn outre, le taux de décharge a un impact significatif sur l'effet exothermique, tandis que la température ambiante a un effet mineur.Trois batteries cylindriques 18650 de fabricants différents ont été sélectionnées pour étudier les effets du taux de charge/décharge sur l'augmentation de la température et le taux de production de chaleur à 35°C, en vérifiant l'influence significative du taux de décharge, conformément aux recherches antérieures.

En utilisant une batterie carrée de lithium fer phosphate de 20 A·h comme objet de recherche,un calorimètre isotherme/adiabatique et un testeur de charge-décharge ont été utilisés pour analyser systématiquement les effets du taux de charge-décharge (0Les résultats montrent que, dans des conditions isothermes, plus le taux de charge-décharge est élevé, plus la température de charge est élevée.plus la charge est faible, et plus la température ambiante est basse, plus la puissance de production de chaleur et le taux de variation de température de la batterie sont élevés.plus la hausse de température est significativeL'état de charge n'affecte que le taux de variation de température pendant la phase de décharge; plus la température initiale est élevée, plus la hausse de température est faible.Ceci fournit un support de données pour sélectionner les conditions de fonctionnement de la batterie.

1.2 Calcul théorique pour faciliter l'analyse expérimentale

La méthode de calcul théorique est basée sur le principe de la production de chaleur, en mesurant des paramètres clés tels que le surpotentiel, le coefficient d'entropie et la résistance interne.et de les combiner avec des formules, la production totale de chaleur de la batterie est estimée. Pendant la charge-décharge normale, la chaleur des réactions secondaires et des processus de mélange peut être ignorée.Le taux de production de chaleur peut être calculé à l'aide du modèle simplifié de BernardiL'exigence principale est de déterminer la résistance interne (Rin) et le coefficient d'entropie (dU/dT) de la batterie.et vieillissement, avec des motifs clairs, mais des variations existent en raison de différences dans les matériaux de la batterie et les processus de fabrication.

Deux batteries cylindriques 18650 ont été sélectionnées et leur résistance sous différents états de charge a été testée à l'aide de quatre méthodes.La méthode de la courbe caractéristique V-I a donné des résultats compatibles avec et supérieurs à la méthode de la différence de tension de fonctionnement en circuit ouvertEn même temps, les changements d'entropie ont été testés en utilisant les deux méthodes, montrant une grande concordance des données.combiné avec les données relatives à la résistance et à l'entropie, correspondent largement aux résultats expérimentaux, vérifiant la faisabilité de la méthode de calcul.

2Développement de modèles thermiques de batteries lithium-ion

Avec le développement de la technologie informatique, la simulation de modèles est devenue un outil important pour étudier les problèmes thermiques des batteries lithium-ion.Les modèles peuvent être classés en modèles à masse groupée et en modèles à une à trois dimensions; en fonction du mécanisme, ils peuvent être classés en modèles d'accouplement électrochimique-thermique, modèles d'accouplement électrothermique et modèles d'abus thermique.Chaque modèle aborde les problèmes thermiques dans différents scénarios.

2.1 Modèle d'accouplement électrochimique-thermique

Ce modèle est construit dans la perspective de la production de chaleur à partir de réactions électrochimiques et convient à la simulation de la distribution de température dans des conditions normales de fonctionnement de la batterie.Il suppose généralement une densité de courant uniforme (une précision fiable pour les petites batteries)Un modèle électrochimique pseudo-bi-dimensionnel couplé à un modèle tridimensionnel de transfert de chaleur,considérant les sources de chaleur telles que les réactions électrochimiques, des processus de polarisation et des pertes ohmiques, ont donné des résultats de simulation pour une batterie à poche de lithium fer phosphate de 10 A·h qui étaient compatibles avec les résultats des essais expérimentaux et infrarouges,Valider l'efficacité du modèleIl a également été constaté que la température de la batterie dépassait 50°C lors d'une décharge à 5°C, ce qui a nécessité la conception de mesures de refroidissement.

Un modèle unidimensionnel d'accouplement électrochimique et thermique tridimensionnel a été établi pour étudier le comportement thermique des batteries LiMn2O4.Il a été constaté que la chaleur réversible n'est pas négligeable à de faibles taux de déchargePour les batteries cylindriques 18650 et 18650, la température de la batterie peut être réduite en réduisant l'épaisseur de l'électrode et la taille des particules du matériau actif.un modèle de production de chaleur en coordonnées cylindriques a été utilisé pour explorer les caractéristiques thermiques à différents taux de déchargeLes résultats de simulation et d'expérimentation ont montré une bonne concordance, confirmant que le chauffage en Joule domine à des taux de décharge élevés et le chauffage par changement d'entropie domine à des taux de décharge faibles.

2.2 Modèle à couplage électrothermique

Ce modèle combine la distribution interne de la densité de courant de la batterie pour étudier la distribution du champ de température, guidant la conception et la recherche de la consistance de la forme de la batterie, des électrodes,et collecteurs de courantÀ l'heure actuelle, la plupart des modèles utilisent des modèles bidimensionnels ou tridimensionnels sans couches, et il y a encore place à l'amélioration de la précision.Un modèle d'accouplement électrothermique en deux dimensions a été utilisé pour étudier les batteries polymères LiMn2O4 et Li[NiCoMn]O2Les effets de la structure de l'électrode et du taux de décharge/charge sur le potentiel, la densité de courant et le taux de production de chaleur ont été analysés.Les résultats de la simulation ont montré une bonne concordance avec les données expérimentales, en soutenant l'optimisation des stratégies de refroidissement.

Pour une batterie LiMn2O4/C de 14,6 A∙h, un modèle d'accouplement électrothermique a été établi pour analyser le comportement de la décharge à basse température.les résultats de la simulation à basse température (-20°C à 0°C) ont été conformes aux résultats expérimentauxDes simulations de charge et de décharge de puissance constante ont été effectuées pour obtenir la distribution de température sous différents niveaux de puissance, fournissant une référence pour la gestion thermique de la batterie.

2.3 Modèle d'abus thermique

Le modèle d'abus thermique a été utilisé pour étudier la sécurité thermique de la batterie, en couplant les réactions exothermiques internes pour simuler l'apparition et le développement d'une fuite thermique sous l'abus thermique.Un examen de la littérature sur les tests et les simulations de toxicomanie a été réalisé., et des réactions exothermiques multiples ont été sélectionnées pour établir des modèles thermiques dans des conditions d'abus telles que boîte chaude, court-circuit, surcharge et pénétration d'aiguille.Le rôle des liants fluorés dans la fuite thermique a été analysé, et leur influence s'est avérée relativement faible.

Mise à niveau du modèle unidimensionnel d'abus thermique vers un modèle tridimensionnel, en tenant compte de la forme, de la taille et de la répartition de la température des matériaux des composants de la batterie,Des expériences de simulation du four ont révélé que les piles plus petites dissipent la chaleur plus rapidement et sont moins sujettes à la fuite thermiqueUn modèle de simulation numérique de l'expérience de pénétration des ongles, à travers des équations de contrôle électrochimique et des équations d'abus thermique,prédit avec précision les changements de température et le début de la fuite thermique pendant le processus de pénétration des ongles, cohérent avec les résultats expérimentaux, résolvant ainsi le problème des expériences de pénétration des ongles qui prennent du temps et coûtent cher.

3Conclusion et perspectives

Les batteries lithium-ion, en raison de leurs excellentes performances, sont largement utilisées dans l'électronique grand public, l'énergie et le stockage d'énergie, mais les problèmes de sécurité thermique empêchent leur adoption généralisée.La principale raison de la fuite thermique est l'incapacité de dissiper la chaleur anormale en temps opportunLes méthodes expérimentales et les méthodes de simulation de modèles sont des outils clés pour l'étude des problèmes thermiques.Chacun avec ses avantages et ses inconvénients: les méthodes expérimentales permettent d'obtenir avec précision des données sur la production de chaleur dans des conditions réelles, mais le processus est complexe, long et coûteux;Les méthodes de simulation du modèle sont simples et ont un cycle court, mais elles présentent certaines erreurs et peuvent s'écarter de la réalité.

Les recherches futures devraient combiner organiquement ces deux approches: utiliser les résultats de la simulation pour guider la conception expérimentale, raccourcir les cycles expérimentaux et réduire les budgets;et en utilisant des données expérimentales pour vérifier et réviser les modèles de simulationGrâce à cette synergie, nous pouvons approfondir les caractéristiques thermiques des batteries lithium-ion, optimiser les solutions de gestion thermique et promouvoir la sécurité, l'efficacité et l'efficacité des batteries.efficaces, et l'application à grande échelle des batteries lithium-ion.