Πειραματική Μελέτη Θερμικών Προβλημάτων Μπαταριών Ιοντολίθιου

Τα θερμικά χαρακτηριστικά των μπαταριών ιόντων λιθίου επηρεάζουν άμεσα τις επιδόσεις της εφαρμογής τους (δυναμικότητα, εσωτερική αντίσταση, ισχύς κλπ.) και τη θερμική ασφάλεια,που αποτελεί βασική ανησυχία για τους καταναλωτέςΓια να καθοδηγηθούν οι στρατηγικές σχεδιασμού και χρήσης των μπαταριών και να διασφαλιστεί η ασφαλή και αποτελεσματική εφαρμογή τους, είναι κρίσιμη η διεξοδική έρευνα σχετικά με τα θερμικά χαρακτηριστικά υπό διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας.Η παρούσα εργασία συνοψίζει και αναλύει συνολικά την πρόοδο της έρευνας σχετικά με τα θερμικά προβλήματα των μπαταριών ιόντων λιθίου τόσο από πειραματική όσο και από μοντέλο προσομοίωσης, επισημαίνοντας τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των δύο μεθόδων και προτείνοντας προτάσεις για μελλοντικές έρευνες που συνδυάζουν και τις δύο προσεγγίσεις.

Σήμερα, οι συνήθως χρησιμοποιούμενες επαναφορτιζόμενες μπαταρίες περιλαμβάνουν μπαταρίες μολύβδου-οξέος, μπαταρίες νικελίου-καδμίου, μπαταρίες νικελίου-μεταλλικού υδριδίου και μπαταρίες ιόντων λιθίου.Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου χρησιμοποιούνται ευρέως στα καταναλωτικά ηλεκτρονικά, μπαταρίες ισχύος και αποθήκευση ενέργειας λόγω των πλεονεκτημάτων τους, όπως η μακρά διάρκεια κύκλου ζωής, η υψηλή απόδοση φόρτισης-αποφόρτισης, η υψηλή ειδική ενέργεια και η μη ρύπανση.Τα συχνά ατυχήματα ασφάλειας, όπως πυρκαγιές και εκρήξεις μπαταριών ιόντων λιθίου, έχουν καταστήσει τους κινδύνους θερμικής ασφάλειας εμπόδιο για την περαιτέρω ανάπτυξη τους.Η υπερφόρτιση και η υπερφόρτιση των μπαταριών ιόντων λιθίου μπορεί εύκολα να προκαλέσει την διείσδυση των δενδριτών στον διαχωριστή, οδηγώντας σε βραχυκυκλώματα,ή προκαλούν εσωτερικά βραχυκυκλώματα λόγω συμπίεσης ή τρύπησηςΕπομένως, μελετώντας τα θερμικά χαρακτηριστικά της μπαταρίας και τη θερμική ασφάλεια,βελτιστοποίηση του σχεδιασμού της μπαταρίας, η εκτίμηση των μεταβολών εσωτερικής θερμοκρασίας και η ανάπτυξη συστημάτων θερμικής διαχείρισης έχουν μεγάλη σημασία για τη διασφάλιση της ασφαλούς και αξιόπιστης λειτουργίας των μπαταριών, παρατείνοντας τη διάρκεια ζωής τους,και αποφυγή θερμικών ατυχημάτωνΣήμερα, η έρευνα σχετικά με τα θερμικά ζητήματα των μπαταριών ιόντων λιθίου χωρίζεται κυρίως σε δύο κατηγορίες: πειραματική έρευνα και προσομοίωση μοντέλου.

1Πειραματική έρευνα για τη θερμική παραγωγή σε μπαταρίες ιόντων λιθίου

Οι πειραματικές μεθόδους αποτελούν το βασικό μέσο μελέτης της θερμικής παραγωγής των μπαταριών ιόντων λιθίου.Χρησιμοποιούν κυρίως θερομετρικό εξοπλισμό για την παρακολούθηση των θερμικών χαρακτηριστικών της μπαταρίας υπό συγκεκριμένες συνθήκες λειτουργίας, λαμβάνοντας με ακρίβεια δεδομένα θερμικής παραγωγής για να παρέχει θεμελιώδη υποστήριξη για μετέπειτα ερευνές.

1.1 Πειραματική έρευνα με συνδυασμένο θερομετρικό εξοπλισμό

Επί του παρόντος, ο βασικός εξοπλισμός για τα πειράματα θερμικής παραγωγής από μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι το επιταχυνόμενο θερομέτρο (ARC) και το ισοθερμικό θερομέτρο (IBC).Το ARC χρησιμοποιείται για τη δοκιμή της εξωθερμικής συμπεριφοράς και της ασφάλειας των μπαταριών και των εξαρτημάτων σε συνθήκες σχεδόν αδιαβατικές., και μπορεί να διεξάγει δοκιμές όπως θερμική σταθερότητα, θερμικές ιδιότητες υλικών, ειδική θερμική χωρητικότητα, απεικόνιση θερμικής διαφυγής και δοκιμές διείσδυσης / συμπίεσης / υπερφόρτωσης βελόνων.Το IBC διατηρεί σταθερή θερμοκρασία της μπαταρίας μέσω ενός συστήματος ψύξης, μετρώντας με ακρίβεια την ανταλλαγή θερμότητας μεταξύ της μπαταρίας και του εξωτερικού περιβάλλοντος υπό κανονικές συνθήκες λειτουργίας και εντός τυπικού εύρους θερμοκρασιών.Η τρέχουσα έρευνα συχνά συνδυάζει θερμοκρασία με ηλεκτροχημικές μεθόδους δοκιμών για να διερευνήσει τη σχέση μεταξύ της παραγωγής θερμότητας και της ηλεκτροχημικής συμπεριφοράς.

Χρησιμοποιώντας 18650 κυλινδρικές μπαταρίες ιόντων λιθίου ως αντικείμενο της έρευνας, χρησιμοποιήθηκε θερμομετρητής και πολλαπλό κανάλι για την ανάλυση των επιπτώσεων της θερμοκρασίας λειτουργίας (35°C, 45°C,55°C) και ρυθμός φόρτισης/αποφόρτισης (C/3Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η μπαταρία απελευθερώνει συνεχώς θερμότητα κατά τη διάρκεια της εκφόρτισης.και αρχικά απορροφά θερμότητα και στη συνέχεια απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια της φόρτισης (η αρχική θερμότητα αντίδρασης κυριαρχείΕπιπλέον, ο ρυθμός εκκένωσης έχει σημαντική επίδραση στην εξωθερμική επίδραση, ενώ η θερμοκρασία περιβάλλοντος έχει μικρή επίδραση.Επιλέχθηκαν τρεις κυλινδρικές μπαταρίες 18650 διαφορετικών κατασκευαστών για να διερευνηθούν οι επιπτώσεις του ρυθμού φόρτισης/αφόρτισης στην αύξηση της θερμοκρασίας και τον ρυθμό παραγωγής θερμότητας στους 35 °C, η οποία επαληθεύει τη σημαντική επιρροή του ποσοστού απαλλαγής, σύμφωνα με προηγούμενες έρευνες.

Χρησιμοποιώντας μια τετραγωνική μπαταρία φωσφορικού λιθίου σιδήρου 20 A∙h ως αντικείμενο έρευνας,Για τη συστηματική ανάλυση των επιπτώσεων του ρυθμού φόρτισης-φόρτισης χρησιμοποιήθηκαν ισοθερμικό/διαβατικό θερμομετρητή και δοκιμαστή φόρτισης-φόρτισης (0Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι υπό ισοθερμικές συνθήκες, όσο υψηλότερος είναι ο ρυθμός φόρτισης-αποφόρτισης, τόσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία του περιβάλλοντος (-10°C~40°C) και η κατάσταση φορτίου (0~70%) σε θερμικά χαρακτηριστικά.όσο μικρότερη είναι η κατάσταση φόρτισης, και όσο χαμηλότερη είναι η θερμοκρασία του περιβάλλοντος, τόσο υψηλότερη είναι η ισχύς παραγωγής θερμότητας της μπαταρίας και ο ρυθμός αλλαγής θερμοκρασίας.όσο σημαντικότερη είναι η αύξηση της θερμοκρασίαςΗ κατάσταση φόρτισης επηρεάζει μόνο τον ρυθμό μεταβολής της θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια της φάσης εκφόρτισης· όσο υψηλότερη είναι η αρχική θερμοκρασία, τόσο χαμηλότερη είναι η αύξηση της θερμοκρασίας.Αυτό παρέχει υποστήριξη δεδομένων για την επιλογή των συνθηκών λειτουργίας της μπαταρίας.

1.2 Θεωρητικός υπολογισμός για την υποβοήθηση της πειραματικής ανάλυσης

Η θεωρητική μέθοδος υπολογισμού βασίζεται στην αρχή της παραγωγής θερμότητας μετρώντας βασικές παραμέτρους όπως υπερδύναμη, συντελεστή εντροπίας και εσωτερική αντίσταση.και συνδυάζοντάς τα με τύπουςΚατά τη διάρκεια της κανονικής φόρτισης-αποφόρτισης, η θερμότητα από τις πλευρικές αντιδράσεις και τις διαδικασίες ανάμειξης μπορεί να αγνοηθεί.Το ποσοστό παραγωγής θερμότητας μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας το απλοποιημένο μοντέλο BernardiΗ βασική απαίτηση είναι ο προσδιορισμός της εσωτερικής αντίστασης της μπαταρίας (Rin) και του συντελεστή εντροπίας (dU/dT).και γήρανση, με σαφή μοτίβα, αλλά υπάρχουν διαφορές λόγω των διαφορών στα υλικά της μπαταρίας και στις διαδικασίες κατασκευής.

Δύο κυλινδρικές μπαταρίες 18650 επιλέχθηκαν και η αντίστασή τους σε διαφορετικές καταστάσεις φόρτισης δοκιμάστηκε χρησιμοποιώντας τέσσερις μεθόδους.Η μέθοδος της χαρακτηριστικής καμπύλης V-I έδωσε αποτελέσματα συμβατά και υψηλότερα από τη μέθοδο διαφοράς τάσης λειτουργίας ανοικτού κυκλώματοςΤαυτόχρονα, η αλλαγή της εντροπίας δοκιμάστηκε χρησιμοποιώντας και τις δύο μεθόδους, δείχνοντας υψηλή συμφωνία δεδομένων.σε συνδυασμό με τα δεδομένα αλλαγής αντίστασης και εντροπίας, τα αποτελέσματα των πειραματικών εργασιών ήταν σε μεγάλο βαθμό τα ίδια, πράγμα που επαληθεύει την εφικτότητα της μεθόδου υπολογισμού.

2Ανάπτυξη θερμικών μοντέλων μπαταριών ιόντων λιθίου

Με την ανάπτυξη της τεχνολογίας των υπολογιστών, η προσομοίωση μοντέλων έχει γίνει ένα σημαντικό εργαλείο για τη μελέτη των θερμικών προβλημάτων των μπαταριών ιόντων λιθίου.Τα μοντέλα μπορούν να κατηγοριοποιηθούν σε μοντέλα ομαδοποιημένης μάζας και μοντέλα ενός έως τριών διαστάσεων.Βάσει του μηχανισμού, μπορούν να κατηγοριοποιηθούν σε ηλεκτροχημικά-θερμικά μοντέλα ζεύξης, ηλεκτροθερμικά μοντέλα ζεύξης και μοντέλα θερμικής κατάχρησης.Κάθε μοντέλο αντιμετωπίζει θερμικά προβλήματα σε διαφορετικά σενάρια.

2.1 Πρότυπο ηλεκτροχημικής θερμικής ζεύξης

Το μοντέλο αυτό έχει κατασκευαστεί με βάση την παραγωγή θερμότητας από ηλεκτροχημικές αντιδράσεις και είναι κατάλληλο για την προσομοίωση της κατανομής θερμοκρασίας υπό κανονικές συνθήκες λειτουργίας της μπαταρίας.Συνήθως υποθέτει ομοιόμορφη πυκνότητα ρεύματος (αξιόπιστη ακρίβεια για μικρές μπαταρίες)Ένα ψευδοδιμερές ηλεκτροχημικό μοντέλο σε συνδυασμό με ένα τρισδιάστατο μοντέλο μεταφοράς θερμότητας,λαμβάνοντας υπόψη πηγές θερμότητας όπως ηλεκτροχημικές αντιδράσεις, οι διαδικασίες πόλωσης και οι ωμικές απώλειες, έφεραν αποτελέσματα προσομοίωσης για μια μπαταρία σιδηροφωσφορικής τσάντας λιθίου 10 A∙h που ήταν συμβατά με τα αποτελέσματα πειραματικών και υπέρυθρων δοκιμών,επικύρωση της αποτελεσματικότητας του μοντέλουΕπίσης διαπιστώθηκε ότι η θερμοκρασία της μπαταρίας ξεπερνούσε τους 50°C κατά τη διάρκεια της εκφόρτωσης σε θερμοκρασία 5°C, γεγονός που επέτρεπε τη σχεδίαση μέτρων ψύξης.

Για τη μελέτη της θερμικής συμπεριφοράς των μπαταριών LiMn2O4 δημιουργήθηκε ένα μονοδιάστατο ηλεκτροχημικό και τρισδιάστατο θερμικό μοντέλο.Διαπιστώθηκε ότι η αναστρέψιμη θερμότητα δεν είναι αμελητέα σε χαμηλά ποσοστά εκκένωσηςΓια τις κυλινδρικές μπαταρίες 18650 και 18650, η θερμοκρασία της μπαταρίας μπορεί να μειωθεί με τη μείωση του πάχους των ηλεκτροδίων και του μεγέθους των σωματιδίων του ενεργού υλικού.χρησιμοποιήθηκε ένα κυλινδρικό μοντέλο παραγωγής θερμότητας με συντεταγμένες για να διερευνηθούν τα θερμικά χαρακτηριστικά σε διαφορετικούς ρυθμούς εκφόρτισηςΤα αποτελέσματα της προσομοίωσης και των πειραμάτων έδειξαν καλή συμφωνία, επιβεβαιώνοντας ότι η θέρμανση Joule κυριαρχεί σε υψηλούς ρυθμούς εκκένωσης και η θέρμανση αλλαγής εντροπίας κυριαρχεί σε χαμηλούς ρυθμούς εκκένωσης.

2.2 Ηλεκτροθερμικό μοντέλο ζεύξης

Αυτό το μοντέλο συνδυάζει την εσωτερική κατανομή πυκνότητας ρεύματος της μπαταρίας για να μελετήσει τη διανομή πεδίου θερμοκρασίας, καθοδηγώντας το σχεδιασμό και την έρευνα συνέπειας του σχήματος της μπαταρίας, των ηλεκτροδίων,και συλλέκτες ρεύματοςΣήμερα, τα περισσότερα μοντέλα χρησιμοποιούν διμερή ή τρισδιάστατα μη στρωμένα μοντέλα και υπάρχει ακόμη περιθώριο βελτίωσης της ακρίβειας.Για τη μελέτη των μπαταριών πολυμερών LiMn2O4 και Li[NiCoMn]O2 χρησιμοποιήθηκε ένα διμερές ηλεκτροθερμικό μοντέλο ζεύξηςΟι επιδράσεις της δομής των ηλεκτροδίων και του ρυθμού εκφόρτισης/φόρτισης στο δυναμικό, τη πυκνότητα ρεύματος και τον ρυθμό παραγωγής θερμότητας αναλύθηκαν.Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης έδειξαν καλή συμφωνία με τα πειραματικά δεδομένα, παρέχοντας υποστήριξη για τη βελτιστοποίηση των στρατηγικών ψύξης.

Για μια μπαταρία LiMn2O4/C 14,6 A∙h, δημιουργήθηκε ένα ηλεκτροθερμικό μοντέλο ζεύξης για την ανάλυση της συμπεριφοράς εκφόρτισης χαμηλής θερμοκρασίας.τα αποτελέσματα της προσομοίωσης σε χαμηλές θερμοκρασίες (-20°C~0°C) ήταν σύμφωνα με τα αποτελέσματα των πειραμάτωνΔιεξήχθησαν προσομοιώσεις φόρτισης-αφόρτισης σταθερής ισχύος για να ληφθεί η κατανομή θερμοκρασίας σε διαφορετικά επίπεδα ισχύος, παρέχοντας μια αναφορά για τη θερμική διαχείριση της μπαταρίας.

2.3 Μοντέλο θερμικής κατάχρησης

Το μοντέλο θερμικής κατάχρησης χρησιμοποιήθηκε για τη μελέτη της θερμικής ασφάλειας της μπαταρίας, συνδυάζοντας εσωτερικές εξωθερμικές αντιδράσεις για να προσομοιώσει την εμφάνιση και την ανάπτυξη της θερμικής απόδρασης υπό θερμική κατάχρηση.Διεξήχθη ανασκόπηση της βιβλιογραφίας δοκιμών κατάχρησης και προσομοίωσης, και πολλαπλές εξωθερμικές αντιδράσεις επιλέχθηκαν για να δημιουργηθούν θερμικά μοντέλα υπό συνθήκες κατάχρησης, όπως καυτό κουτί, σύντομο κύκλωμα, υπερφόρτιση και διείσδυση βελόνας.Αναλύθηκε ο ρόλος των φθοριούχων συνδετικών ουσιών στην θερμική απόδραση, και η επιρροή τους διαπιστώθηκε ότι ήταν σχετικά μικρή.

Αναβάθμιση του μοντέλου μοντέλου θερμικής χρήσης σε τρισδιάστατο μοντέλο, λαμβάνοντας υπόψη το σχήμα, το μέγεθος και την κατανομή θερμοκρασίας υλικού των συστατικών της μπαταρίας,και τα πειράματα προσομοίωσης του φούρνου αποκάλυψαν ότι οι μικρότερες μπαταρίες εξαλείφουν τη θερμότητα πιο γρήγορα και είναι λιγότερο επιρρεπείς σε θερμική απόδρασηΈνα αριθμητικό μοντέλο προσομοίωσης του πειράματος διείσδυσης νυχιών, μέσω ηλεκτροχημικών εξισώσεων ελέγχου και εξισώσεων θερμικής κατάχρησης,προβλέπει με ακρίβεια τις αλλαγές θερμοκρασίας και την έναρξη της θερμικής απόδρασης κατά τη διάρκεια της διαδικασίας διείσδυσης νυχιών, συμβατό με τα πειραματικά αποτελέσματα, λύνοντας έτσι το πρόβλημα των χρονοβόρων και δαπανηρών πειραμάτων διείσδυσης νυχιών.

3Συμπεράσματα και προοπτικές

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου, λόγω των εξαιρετικών επιδόσεών τους, χρησιμοποιούνται ευρέως στα καταναλωτικά ηλεκτρονικά, την ενέργεια και την αποθήκευση ενέργειας, αλλά τα ζητήματα θερμικής ασφάλειας εμποδίζουν την ευρεία υιοθέτησή τους.Ο βασικός λόγος για την θερμική απόδραση είναι η αδυναμία να διαλύσει την ανώμαλη θερμότητα εγκαίρωςΤόσο οι πειραματικές μέθοδοι όσο και οι μέθοδοι προσομοίωσης με μοντέλα αποτελούν βασικά εργαλεία για τη μελέτη θερμικών προβλημάτων.Κάθε ένα με τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα του: οι πειραματικές μεθόδους μπορούν να αποκτήσουν με ακρίβεια δεδομένα παραγωγής θερμότητας υπό πραγματικές συνθήκες, αλλά η διαδικασία είναι περίπλοκη, χρονοβόρα και δαπανηρή·Οι μέθοδοι προσομοίωσης μοντέλου είναι απλές και έχουν σύντομο κύκλο, αλλά περιέχουν ορισμένα λάθη και μπορεί να αποκλίνουν από την πραγματικότητα.

Η μελλοντική έρευνα θα πρέπει να συνδυάσει οργανικά αυτές τις δύο προσεγγίσεις: τη χρήση αποτελεσμάτων προσομοίωσης για να καθοδηγήσει τον πειραματικό σχεδιασμό, τη μείωση των πειραματικών κύκλων και τη μείωση των προϋπολογισμών.και τη χρήση πειραματικών δεδομένων για την επαλήθευση και αναθεώρηση μοντέλων προσομοίωσηςΜέσω αυτής της συνεργασίας, μπορούμε να ερευνήσουμε βαθύτερα τα θερμικά χαρακτηριστικά των μπαταριών ιόντων λιθίου, να βελτιστοποιήσουμε τις λύσεις θερμικής διαχείρισης και να προωθήσουμε την ασφαλή,αποδοτικό, και μεγάλης κλίμακας εφαρμογή των μπαταριών ιόντων λιθίου.