Experimentelle Untersuchung thermischer Probleme von Lithium-Ionen-Batterien

Die thermischen Eigenschaften von Lithium-Ionen-Batterien beeinflussen unmittelbar ihre Anwendungsleistung (Kapazität, innerer Widerstand, Leistung usw.) und ihre thermische Sicherheit.die für die Verbraucher ein wichtiges Anliegen istUm die Konstruktion und Nutzung von Batterien zu steuern und ihre sichere und effiziente Anwendung zu gewährleisten, ist eine eingehende Erforschung der thermischen Eigenschaften unter verschiedenen Betriebsbedingungen von entscheidender Bedeutung.Dieses Papier fasst die Forschungsfortschritte zu thermischen Problemen von Lithium-Ionen-Batterien sowohl aus experimenteller als auch aus Modell-Simulationsperspektive umfassend zusammen und analysiert sie, die Vor- und Nachteile der beiden Methoden aufzeigen und Vorschläge für zukünftige Forschungen unter Kombination beider Ansätze machen.

Zu den derzeit häufig verwendeten wiederaufladbaren Batterien gehören Blei-Säure-Batterien, Nickel-Cadmium-Batterien, Nickel-Metall-Hydrid-Batterien und Lithium-Ionen-Batterien.Lithium-Ionen-Batterien werden in der Unterhaltungselektronik weit verbreitet, Strombatterien und Energiespeicher aufgrund ihrer Vorteile wie langer Lebensdauer, hoher Lade-Entladungseffizienz, hoher spezifischer Energie und keine Verschmutzung.Häufige Sicherheitsunfälle wie Brände und Explosionen von Lithium-Ionen-Batterien haben thermische Sicherheitsrisiken zu einem Engpass für ihre weitere Entwicklung gemacht.Überladung und Überentladung von Lithium-Ionen-Batterien können leicht dazu führen, dass Dendriten durch den Trennscheib dringen, was zu Kurzschlüssen führt,oder interne Kurzschlüsse aufgrund von Kompressionen oder Punktionen verursachen, die beide zu einer großen Anhäufung von Wärme, einem schnellen Temperaturanstieg und letztendlich thermischer Flucht führen.Optimierung des Batteriedesigns, die Schätzung der inneren Temperaturänderungen und die Entwicklung von thermischen Managementsystemen sind von großer Bedeutung, um den sicheren und zuverlässigen Betrieb von Batterien zu gewährleisten und ihre Lebensdauer zu verlängern,und Vermeidung von thermischen UnfällenDerzeit wird die Forschung zu thermischen Fragen von Lithium-Ionen-Batterien hauptsächlich in zwei Kategorien unterteilt: experimentelle Forschung und Modellsimulation.

1Experimentelle Forschung zur Wärmeerzeugung in Lithium-Ionen-Batterien

Experimentelle Methoden sind das zentrale Mittel zur Untersuchung der thermischen Erzeugung von Lithium-Ionen-Batterien.Sie verwenden vor allem calorimetrische Geräte zur Überwachung der thermischen Eigenschaften der Batterie unter bestimmten Betriebsbedingungen, die Daten zur Wärmeerzeugung genau erfassen, um die spätere Forschung grundlegend zu unterstützen.

1.1 Versuchsforschung mit kombinierten Kalorimetriegeräten

Derzeit sind die Kerngeräte für thermische Erzeugungsexperimente mit Lithium-Ionen-Batterien das beschleunigte Kalorimeter (ARC) und das isotherme Kalorimeter (IBC).Der ARC wird zur Prüfung des exothermen Verhaltens und der Sicherheit von Batterien und Komponenten unter nahezu adiabatischen Bedingungen verwendet., und kann Prüfungen wie thermische Stabilität, thermische Eigenschaften des Materials, spezifische Wärmekapazität, thermische Ausfallvisualisierung und Nadeldurchdringung/Prise/Überladungstests durchführen.Die IBC hält durch ein Kühlsystem eine konstante Batterietemperatur aufrecht, der den Wärmeaustausch zwischen der Batterie und der Außenumgebung unter normalen Betriebsbedingungen und innerhalb eines typischen Temperaturbereichs genau misst.Aktuelle Forschung kombiniert oft Kalorimetrie mit elektrochemischen Prüfmethoden, um die innere Beziehung zwischen Wärmeerzeugung und elektrochemischem Verhalten zu erforschen.

Mit 18650 zylindrischen Lithium-Ionen-Batterien als Forschungsgegenstand wurden ein Kalorimeter und ein Mehrkanal-Batteriezykler verwendet, um die Auswirkungen der Betriebstemperatur (35°C, 45°C,55°C) und Ladungs-/Entladungsrate (C/3Die Ergebnisse zeigten, daß die Batterie während der Entladung kontinuierlich Wärme freisetzt.und absorbiert zunächst Wärme, gefolgt von einer Freisetzung während des Aufladens (anfängliche Reaktionswärme dominiertDie Batterie ist in der Regel mit einer hohen Temperatur ausgestattet, was die Abluftgeschwindigkeit erheblich beeinflusst, während die Umgebungstemperatur einen geringeren Einfluss hat.Für die Untersuchung der Auswirkungen der Ladungs-/Entladungsgeschwindigkeit auf die Temperaturerhöhung und die Wärmeerzeugungsgeschwindigkeit bei 35°C wurden drei zylindrische Batterien 18650 verschiedener Hersteller ausgewählt., die den signifikanten Einfluß der Entlastungsrate im Einklang mit früheren Untersuchungen überprüft.

Mit einer 20 A∙h Lithium-Eisen-Phosphat-Quadratbatterie als Forschungsgegenstand,Ein isothermischer/adiabatischer Kalorimeter und ein Ladungs-Entladungstester wurden verwendet, um die Auswirkungen der Ladungs-Entladungsrate systematisch zu analysieren (0.5C~2C), Umgebungstemperatur (-10°C~40°C) und Ladungszustand (0~70%) auf die thermischen Eigenschaften.je kleiner der Ladestand, und je niedriger die Umgebungstemperatur, desto höher ist die Wärmeerzeugungskraft und die Temperaturänderungsrate der Batterie.je deutlicher der TemperaturanstiegDer Ladestand beeinflusst nur die Temperaturänderungsrate während der Entladungsphase; je höher die Anfangstemperatur, desto geringer der Temperaturanstieg.Dies bietet Datenunterstützung für die Auswahl der Betriebsbedingungen der Batterie.

1.2 Theoretische Berechnungen zur Unterstützung der experimentellen Analyse

Die theoretische Berechnungsmethode basiert auf dem Prinzip der Wärmeerzeugung.und kombinieren sie mit FormelnBei normaler Lade-Entladung kann die Wärme aus Nebenreaktionen und Mischprozessen ignoriert werden.Die Wärmeerzeugungsrate kann mit dem vereinfachten Bernardi-Modell berechnet werdenDer Kernbedarf besteht darin, den inneren Widerstand (Rin) und den Entropie-Koeffizienten (dU/dT) der Batterie zu bestimmen.und Alterung, mit klaren Mustern, aber es gibt Abweichungen aufgrund von Unterschieden in Batterie-Materialien und Herstellungsprozessen.

Zwei 18650-Zylinderbatterien wurden ausgewählt und mit vier Methoden getestet.Die V-I-Karakteristikkurvenmethode lieferte Ergebnisse, die mit der Methode der Spannungsdifferenz im offenen Stromkreis übereinstimmen und höher liegen als dieGleichzeitig wurde mit beiden Methoden eine Veränderung der Entropie getestet, was eine hohe Übereinstimmung der Daten ergab.kombiniert mit den Widerstands- und EntropieänderungsdatenDie Ergebnisse der Experimente stimmten weitgehend überein und bestätigten die Durchführbarkeit der Berechnungsmethode.

2Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien-Thermomotilen

Mit der Entwicklung der Computertechnologie ist die Modellsimulation zu einem wichtigen Instrument zur Untersuchung der thermischen Probleme von Lithium-Ionen-Batterien geworden.Modelle können in Modelle mit gebündelten Massen und ein- bis dreidimensionale Modelle eingeteilt werden.Auf der Grundlage des Mechanismus können sie in elektrochemisch-thermische Kopplungsmodelle, elektrothermische Kopplungsmodelle und thermische Missbrauchsmodelle eingeteilt werden.Jedes Modell befasst sich mit thermischen Problemen in verschiedenen Szenarien.

2.1 Elektrochemisch-thermisches Kupplungsmodell

Dieses Modell ist aus der Perspektive der Wärmeerzeugung durch elektrochemische Reaktionen konstruiert und eignet sich zur Simulation der Temperaturverteilung unter normalen Betriebsbedingungen der Batterie.Es geht in der Regel von einer gleichmäßigen Stromdichte aus (zuverlässige Genauigkeit für kleine Batterien)Ein zweidimensionales elektrochemisches Modell in Verbindung mit einem dreidimensionalen Wärmeübertragungsmodelldie Wärmequellen wie elektrochemische Reaktionen berücksichtigen, Polarisationsprozesse und ohmische Verluste lieferten Simulationsergebnisse für eine 10 A∙h Lithium-Eisen-Phosphat-Batterie, die mit den experimentellen und Infrarot-Testergebnissen übereinstimmten.Validierung der Wirksamkeit des ModellsEs wurde auch festgestellt, daß die Batterie bei 5°C-Entladung eine Temperatur von mehr als 50°C aufwies, was die Konzeption von Kühlmaßnahmen erforderte.

Zur Untersuchung des thermischen Verhaltens von LiMn2O4-Batterien wurde ein eindimensionales elektrochemisches und ein dreidimensionales thermisch gekoppeltes Modell entwickelt.Es wurde festgestellt, daß bei niedrigen Abluftraten nicht vernachlässigbar ist, daß die reversible WärmeBei 18650-Zylinderbatterien kann eine Verringerung der Elektrodendicke und der Partikelgröße des aktiven Materials die Batterietemperatur senken.Ein zylindrisches Koordinatwärmegenerationsmodell wurde verwendet, um die thermischen Eigenschaften bei unterschiedlichen Entlademengen zu erforschen.Die Simulations­ und Versuchsergebnisse zeigten eine gute Übereinstimmung und bestätigten, daß die Joule­Heizung bei hohen Entladungsraten und die Entropieänderungs­Heizung bei niedrigen Entladungsraten dominieren.

2.2 Elektrothermisch gekoppeltes Modell

Dieses Modell kombiniert die interne Stromdichteverteilung der Batterie, um die Temperaturfeldverteilung zu untersuchen, die das Design und die Konsistenzforschung der Batterieform, Elektroden,und StromkollektorenDerzeit werden in den meisten Modellen zweidimensionale oder dreidimensionale, nicht-schichtige Modelle verwendet, und die Genauigkeit kann noch verbessert werden.Für die Untersuchung von LiMn2O4- und Li[NiCoMn]O2-Polymerbatterien wurde ein zweidimensionales elektrothermisches Kupplungsmodell verwendet.Die Auswirkungen der Elektrodenstruktur und der Entladungs-/Ladegeschwindigkeit auf Potenzial, Stromdichte und Wärmeerzeugungsrate wurden analysiert.Die Simulationsergebnisse stimmen gut mit den experimentellen Daten überein., unterstützt die Optimierung der Kühlstrategien.

Für eine 14,6 A∙h LiMn2O4/C Batterie wurde ein elektrothermisches Kopplungsmodell zur Analyse des Niedertemperaturentladungsverhaltens entwickelt.die Simulationsergebnisse bei niedrigen Temperaturen (-20°C bis 0°C) mit den Versuchsergebnissen übereinstimmtenBei gleichbleibender Leistung wurden Simulationen zur Temperaturverteilung unter unterschiedlichen Leistungsstufen durchgeführt, die eine Referenz für das thermische Management der Batterie liefern.

2.3 Modell für den thermischen Verbrauch

Das thermische Missbrauchsmodell wurde zur Untersuchung der thermischen Sicherheit der Batterie verwendet, wobei interne exotherme Reaktionen kombiniert wurden, um das Auftreten und die Entwicklung von thermischen Ausbrüchen unter thermischem Missbrauch zu simulieren.Es wurde eine Überprüfung der Literatur zu Missbrauchstests und Simulationen durchgeführt., und mehrere exotherme Reaktionen wurden ausgewählt, um thermische Modelle unter Missbrauchsbedingungen wie Hotbox, Kurzschluss, Überladung und Nadeldurchdringung zu erstellen.Die Rolle von fluorierten Bindemitteln bei der thermischen Ausrottung wurde analysiert, und ihr Einfluß war relativ gering.

Aufwertung des eindimensionalen Modells für thermischen Abbau auf ein dreidimensionales Modell unter Berücksichtigung der Form, Größe und Materialtemperaturverteilung von Batteriekomponenten,und simulierende Ofen-Experimente zeigten, dass kleinere Batterien die Wärme schneller zerstreuen und weniger anfällig für thermische Ausbreitung sindEin numerisches Simulationsmodell des Nageldurchdringungsexperiments durch elektrochemische Steuerungsgleichungen und thermische Missbrauchsgleichungen.Vorhersage der Temperaturänderungen und des Beginns der thermischen Ausrottung während des Nageldurchdringungsprozesses, die mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmen, wodurch das Problem der zeitaufwändigen und teuren Nageldurchdringungserfahrungen gelöst wird.

3Schlussfolgerung und Aussichten

Lithium-Ionen-Batterien werden aufgrund ihrer hervorragenden Leistung in der Unterhaltungselektronik, Stromversorgung und Energiespeicherung weit verbreitet, aber thermische Sicherheitsprobleme behindern ihre weit verbreitete Einführung.Der Hauptgrund für den thermischen Ausbruch ist die Unfähigkeit, abnormale Wärme rechtzeitig zu entfernen., was zu einer Wärmeansammlung und einem plötzlichen Temperaturanstieg führt.Jedes mit seinen Vor- und Nachteilen: Experimentelle Methoden können unter realen Bedingungen Daten zur Wärmeerzeugung exakt erfassen, aber der Prozess ist komplex, zeitaufwändig und teuer;Modellsimulationen sind einfach und haben einen kurzen Zyklus, aber sie enthalten bestimmte Fehler und können von der Realität abweichen.

Die künftige Forschung sollte diese beiden Ansätze organisch kombinieren: Verwendung von Simulationsergebnissen zur Orientierung der experimentellen Konzeption, Verkürzung der experimentellen Zyklen und Reduzierung der Budgets;und die Verwendung experimenteller Daten zur Überprüfung und Überarbeitung von SimulationsmodellenDurch diese Synergie können wir tiefer in die thermischen Eigenschaften von Lithium-Ionen-Batterien eintauchen, thermische Managementlösungen optimieren und die sichere,effizient, und der groß angelegten Anwendung von Lithium-Ionen-Batterien.