लिथियम आयन बैटरी की थर्मल समस्याओं पर प्रयोगात्मक अध्ययन

लिथियम आयन बैटरी की थर्मल विशेषताएं सीधे उनके अनुप्रयोग प्रदर्शन (क्षमता, आंतरिक प्रतिरोध, शक्ति आदि) और थर्मल सुरक्षा को प्रभावित करती हैं।जो उपभोक्ताओं की मुख्य चिंता हैबैटरी डिजाइन और उपयोग रणनीतियों को निर्देशित करने और उनके सुरक्षित और कुशल अनुप्रयोग को सुनिश्चित करने के लिए, विभिन्न परिचालन स्थितियों में थर्मल विशेषताओं पर गहन शोध महत्वपूर्ण है।इस पेपर में प्रयोगात्मक और मॉडल सिमुलेशन दोनों दृष्टिकोणों से लिथियम-आयन बैटरी थर्मल समस्याओं पर अनुसंधान प्रगति का व्यापक रूप से सारांश और विश्लेषण किया गया है।, दोनों तरीकों के फायदे और नुकसान पर प्रकाश डालते हुए और दोनों दृष्टिकोणों को जोड़ने वाले भविष्य के शोध के लिए सुझाव देते हुए।

वर्तमान में इस्तेमाल की जाने वाली रिचार्जेबल बैटरी में लीड-एसिड बैटरी, निकेल-कैडमियम बैटरी, निकेल-मेटल हाइड्राइड बैटरी और लिथियम-आयन बैटरी शामिल हैं।उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स में लिथियम आयन बैटरी का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है, पावर बैटरी और ऊर्जा भंडारण के फायदे जैसे कि लंबे चक्र जीवन, उच्च चार्ज-डिस्चार्ज दक्षता, उच्च विशिष्ट ऊर्जा और कोई प्रदूषण नहीं।लिथियम-आयन बैटरी की आग और विस्फोट जैसी लगातार सुरक्षा दुर्घटनाओं ने थर्मल सुरक्षा जोखिमों को उनके आगे के विकास के लिए एक बाधा बना दिया है।लिथियम-आयन बैटरी के ओवरचार्जिंग और ओवर-डिचार्जिंग से डिंड्राइट्स आसानी से विभाजक में प्रवेश कर सकते हैं, जिससे शॉर्ट सर्किट हो सकते हैं,या संपीड़न या छिद्रण के कारण आंतरिक शॉर्ट सर्किट का कारण, जो दोनों ही गर्मी का एक बड़ा संचय, तापमान में तेजी से वृद्धि, और अंततः थर्मल भागने का परिणाम है। इसलिए, बैटरी थर्मल विशेषताओं और थर्मल सुरक्षा का अध्ययन,बैटरी डिजाइन को अनुकूलित करना, आंतरिक तापमान परिवर्तनों का अनुमान लगाना और थर्मल प्रबंधन योजनाओं को विकसित करना बैटरी के सुरक्षित और विश्वसनीय संचालन को सुनिश्चित करने और उनकी सेवा जीवन को बढ़ाने के लिए बहुत महत्वपूर्ण है,और थर्मल रनवे दुर्घटनाओं से बचनेवर्तमान में, लिथियम आयन बैटरी थर्मल मुद्दों पर अनुसंधान मुख्य रूप से दो श्रेणियों में विभाजित हैः प्रयोगात्मक अनुसंधान और मॉडल सिमुलेशन।

1लिथियम-आयन बैटरी में थर्मल जनरेशन पर प्रयोगात्मक अनुसंधान

प्रयोगात्मक विधियां लिथियम-आयन बैटरी के थर्मल उत्पादन का अध्ययन करने के मुख्य साधन हैं।वे मुख्य रूप से विशिष्ट परिचालन स्थितियों में बैटरी की थर्मल विशेषताओं की निगरानी के लिए कैलोरीमीटर उपकरण का उपयोग करते हैं, बाद के अनुसंधान के लिए मौलिक समर्थन प्रदान करने के लिए सटीक ताप उत्पादन डेटा प्राप्त करना।

1.1 संयुक्त कैलोरिमेट्रिक उपकरण का उपयोग करके प्रयोगात्मक अनुसंधान

वर्तमान में, लिथियम आयन बैटरी थर्मल जनरेशन प्रयोगों के लिए मुख्य उपकरण त्वरित कैलोरीमीटर (ARC) और आइसोथर्मल कैलोरीमीटर (IBC) हैं।एआरसी का प्रयोग लगभग एडियाबेटिक परिस्थितियों में बैटरी और घटकों के एक्सोथर्मिक व्यवहार और सुरक्षा का परीक्षण करने के लिए किया जाता है, और थर्मल स्थिरता, सामग्री थर्मल गुणों, विशिष्ट गर्मी क्षमता, थर्मल रनवे विज़ुअलाइज़ेशन, और सुई प्रवेश / निचोड़ / ओवरचार्ज परीक्षण जैसे परीक्षण कर सकते हैं।आईबीसी एक शीतलन प्रणाली के माध्यम से एक स्थिर बैटरी तापमान बनाए रखता है, सामान्य परिचालन स्थितियों में और एक विशिष्ट तापमान सीमा के भीतर बैटरी और बाहरी वातावरण के बीच गर्मी विनिमय को सटीक रूप से मापने के लिए।वर्तमान अनुसंधान अक्सर गर्मी उत्पादन और विद्युत रासायनिक व्यवहार के बीच अंतर्निहित संबंध का पता लगाने के लिए इलेक्ट्रोकेमिकल परीक्षण विधियों के साथ कैलोरीमेट्री को जोड़ता है.

18650 सिलेंडरिक लिथियम आयन बैटरी का प्रयोग करते हुए, एक कैलोरीमीटर और एक बहु-चैनल बैटरी साइक्लर का उपयोग ऑपरेटिंग तापमान (35°C, 45°C,55°C) और चार्ज/डिस्चार्ज दर (C/3, C/2, C/1) ताप उत्पादन दर पर। परिणामों से पता चला कि बैटरी लगातार डिस्चार्ज के दौरान गर्मी जारी करती है,और प्रारंभ में गर्मी अवशोषित करता है जिसके बाद चार्जिंग के दौरान रिलीज़ होता है (प्रारंभिक प्रतिक्रिया गर्मी हावी होती है)इसके अलावा, डिस्चार्ज दर का एक्सोथर्मिक प्रभाव पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है, जबकि परिवेश के तापमान का मामूली प्रभाव पड़ता है। बैटरी प्रकारों का विस्तार,तीन अलग-अलग निर्माताओं की 18650 बेलनाकार बैटरी का चयन 35°C पर तापमान वृद्धि और गर्मी उत्पादन दर पर चार्ज/डिस्चार्ज दर के प्रभावों की जांच करने के लिए किया गया, पिछले शोध के अनुरूप, डिस्चार्ज दर के महत्वपूर्ण प्रभाव को सत्यापित करता है।

अनुसंधान वस्तु के रूप में 20 A∙h लिथियम आयरन फॉस्फेट वर्ग बैटरी का उपयोग,चार्ज-डिस्चार्ज दर के प्रभावों का व्यवस्थित विश्लेषण करने के लिए एक आइसोथर्मल/एडियाबेटिक कैलोरीमीटर और एक चार्ज-डिस्चार्ज परीक्षक का उपयोग किया गया था (0.5°C~2°C), परिवेश तापमान (-10°C~40°C), और चार्ज की स्थिति (0~70%) पर थर्मल विशेषताओं पर परिणाम बताते हैं कि आइसोथर्मल परिस्थितियों में चार्ज-डिस्चार्ज दर जितनी अधिक होती है,चार्ज की स्थिति जितनी छोटी होगी, और परिवेश का तापमान जितना कम होगा, बैटरी की गर्मी उत्पादन शक्ति और तापमान परिवर्तन दर उतनी ही अधिक होगी।तापमान में वृद्धि जितनी अधिक होगीचार्ज की स्थिति केवल डिस्चार्ज चरण के दौरान तापमान परिवर्तन दर को प्रभावित करती है; प्रारंभिक तापमान जितना अधिक होगा, तापमान वृद्धि उतनी ही कम होगी।यह बैटरी के संचालन की शर्तों का चयन करने के लिए डेटा समर्थन प्रदान करता है.

1.2 प्रयोगात्मक विश्लेषण में सहायता के लिए सैद्धांतिक गणना

सैद्धांतिक गणना पद्धति गर्मी उत्पादन के सिद्धांत पर आधारित है। जैसे कि overpotential, एंट्रोपी गुणांक, और आंतरिक प्रतिरोध के प्रमुख मापदंडों को मापकर,और सूत्रों के साथ उन्हें गठबंधन, बैटरी की कुल गर्मी उत्पादन का अनुमान लगाया जाता है। सामान्य चार्ज-डिस्चार्ज के दौरान, साइड रिएक्शन और मिश्रण प्रक्रियाओं से गर्मी को अनदेखा किया जा सकता है।गर्मी उत्पादन दर Bernardi सरलीकृत मॉडल का उपयोग कर गणना की जा सकती हैमुख्य आवश्यकता बैटरी के आंतरिक प्रतिरोध (Rin) और एंट्रोपी गुणांक (dU/dT) का निर्धारण करना है।और बुढ़ापा, स्पष्ट पैटर्न के साथ, लेकिन बैटरी सामग्री और विनिर्माण प्रक्रियाओं में अंतर के कारण भिन्नताएं मौजूद हैं।

18650 की दो बेलनाकार बैटरी का चयन किया गया और चार विधियों का उपयोग करके चार्ज की विभिन्न स्थितियों में उनके प्रतिरोध का परीक्षण किया गया।V-I विशेषता वक्र विधि ने खुले सर्किट वोल्टेज-ऑपरेटिंग वोल्टेज अंतर विधि के अनुरूप और उससे अधिक परिणाम दिएएक साथ, दोनों तरीकों का उपयोग करके एंट्रोपी परिवर्तन का परीक्षण किया गया, जिसमें उच्च डेटा सहमति दिखाई गई। अनुमानित तापमान वृद्धि और गर्मी उत्पादन दर,प्रतिरोध और एंट्रोपी परिवर्तन डेटा के साथ संयुक्त, प्रयोगात्मक परिणामों से काफी हद तक मेल खाता है, जिससे गणना पद्धति की व्यवहार्यता का सत्यापन होता है।

2लिथियम आयन बैटरी थर्मल मॉडल का विकास

कंप्यूटर प्रौद्योगिकी के विकास के साथ, मॉडल सिमुलेशन लिथियम-आयन बैटरी की थर्मल समस्याओं का अध्ययन करने के लिए एक महत्वपूर्ण उपकरण बन गया है।मॉडलों को समूहित द्रव्यमान मॉडल और एक से तीन आयामी मॉडल में वर्गीकृत किया जा सकता हैतंत्र के आधार पर, उन्हें विद्युत-रासायनिक थर्मल युग्मन मॉडल, विद्युत-तापीय युग्मन मॉडल और थर्मल दुरुपयोग मॉडल में वर्गीकृत किया जा सकता है।प्रत्येक मॉडल विभिन्न परिदृश्यों में थर्मल समस्याओं को संबोधित करता है.

2.1 विद्युत रासायनिक-तापीय युग्मन मॉडल

यह मॉडल विद्युत रासायनिक प्रतिक्रियाओं से गर्मी उत्पादन के दृष्टिकोण से बनाया गया है और सामान्य बैटरी संचालन स्थितियों में तापमान वितरण का अनुकरण करने के लिए उपयुक्त है।यह आम तौर पर समान धारा घनत्व (छोटी बैटरी के लिए विश्वसनीय सटीकता) मानता है, लेकिन बड़ी बैटरी के लिए त्रुटियां मौजूद हैं) एक छद्म दो आयामी इलेक्ट्रोकेमिकल मॉडल एक तीन आयामी गर्मी हस्तांतरण मॉडल के साथ संयुक्त,विद्युत रासायनिक प्रतिक्रियाओं जैसे गर्मी स्रोतों पर विचार, ध्रुवीकरण प्रक्रियाओं, और ओमिक हानि, 10 A∙h लिथियम लोहा फॉस्फेट पाउच बैटरी के लिए सिमुलेशन परिणाम दिए जो प्रयोगात्मक और अवरक्त परीक्षण परिणामों के अनुरूप थे,मॉडल की प्रभावशीलता को मान्य करनायह भी पाया गया कि 5C डिस्चार्ज के दौरान बैटरी का तापमान 50°C से अधिक था, जिससे शीतलन उपायों के डिजाइन की आवश्यकता हुई।

LiMn2O4 बैटरी के थर्मल व्यवहार का अध्ययन करने के लिए एक-आयामी विद्युत रसायन और तीन-आयामी थर्मल युग्मित मॉडल स्थापित किया गया।यह पाया गया कि कम डिस्चार्ज दरों पर प्रतिवर्ती गर्मी नगण्य नहीं है18650 सिलेंडरिक बैटरी के लिए, एक बैटरी के तापमान को कम किया जा सकता है, जबकि उच्च डिस्चार्ज दर पर ओमिक गर्मी हावी होती है।विभिन्न डिस्चार्ज दरों पर थर्मल विशेषताओं का पता लगाने के लिए एक बेलनाकार निर्देशांक गर्मी उत्पादन मॉडल का उपयोग किया गया थासिमुलेशन और प्रयोगात्मक परिणामों में अच्छी सहमति दिखाई गई, जिससे पुष्टि हुई कि उच्च डिस्चार्ज दरों पर जोल हीटिंग प्रमुख है और कम डिस्चार्ज दरों पर एंट्रोपी परिवर्तन हीटिंग प्रमुख है।

2.2 विद्युत ताप संबद्ध मॉडल

यह मॉडल बैटरी के आंतरिक धारा घनत्व वितरण को संयोजित करता है ताकि तापमान क्षेत्र वितरण का अध्ययन किया जा सके, बैटरी के आकार, इलेक्ट्रोड,और वर्तमान कलेक्टरवर्तमान में, अधिकांश मॉडल दो आयामी या तीन आयामी गैर-स्तरित मॉडल का उपयोग करते हैं, और सटीकता में सुधार के लिए अभी भी जगह है।LiMn2O4 और Li[NiCoMn]O2 बहुलक बैटरी का अध्ययन करने के लिए दो आयामी विद्युत ताप युग्मन मॉडल का प्रयोग किया गयाविद्युत संरचना और डिस्चार्ज/चार्ज दर के संभावित, वर्तमान घनत्व और गर्मी उत्पादन दर पर प्रभाव का विश्लेषण किया गया।सिमुलेशन के परिणामों में प्रयोगात्मक आंकड़ों के साथ अच्छी सहमति दिखाई गई।, शीतलन रणनीतियों के अनुकूलन के लिए समर्थन प्रदान करता है।

14.6 A∙h LiMn2O4/C बैटरी के लिए, निम्न तापमान पर डिस्चार्ज व्यवहार का विश्लेषण करने के लिए एक इलेक्ट्रोथर्मल युग्मन मॉडल स्थापित किया गया। मॉडल मापदंडों को संशोधित करके,कम तापमान (-20°C~0°C) पर सिमुलेशन परिणाम प्रयोगात्मक परिणामों के अनुरूप किए गएविभिन्न शक्ति स्तरों के तहत तापमान वितरण प्राप्त करने के लिए निरंतर शक्ति चार्ज-डिस्चार्ज सिमुलेशन किए गए, जो बैटरी थर्मल प्रबंधन के लिए एक संदर्भ प्रदान करते हैं।

2.3 ताप दुरुपयोग मॉडल

थर्मल दुरुपयोग मॉडल का उपयोग बैटरी थर्मल सुरक्षा का अध्ययन करने के लिए किया गया, थर्मल दुरुपयोग के तहत थर्मल रनवे की घटना और विकास का अनुकरण करने के लिए आंतरिक एक्सोथर्मिक प्रतिक्रियाओं को जोड़कर।दुरुपयोग परीक्षण और अनुकरण साहित्य की समीक्षा की गईगर्म बॉक्स, शॉर्ट सर्किट, ओवरचार्ज और सुई के प्रवेश जैसे दुरुपयोग की स्थितियों में थर्मल मॉडल स्थापित करने के लिए कई एक्सोथर्मिक प्रतिक्रियाओं का चयन किया गया।थर्मल रनवे में फ्लोराइड बाइंडरों की भूमिका का विश्लेषण किया गया, और उनका प्रभाव अपेक्षाकृत छोटा पाया गया।

बैटरी घटकों के आकार, आकार और सामग्री तापमान वितरण को ध्यान में रखते हुए एक आयामी थर्मल दुरुपयोग मॉडल को तीन आयामी मॉडल में अपग्रेड करना,और सिमुलेशन ओवन प्रयोगों से पता चला है कि छोटी बैटरी गर्मी तेजी से फैल और थर्मल भागने के लिए कम प्रवण हैंविद्युत रासायनिक नियंत्रण समीकरणों और थर्मल दुरुपयोग समीकरणों के माध्यम से नाखून प्रवेश प्रयोग का एक संख्यात्मक अनुकरण मॉडलसटीक रूप से तापमान परिवर्तन और नाखून पैठ की प्रक्रिया के दौरान थर्मल भागने की शुरुआत की भविष्यवाणी करता है, प्रयोगात्मक परिणामों के अनुरूप, इस प्रकार समय लेने वाले और महंगे नाखून प्रवेश प्रयोगों की समस्या को हल करता है।

3निष्कर्ष और दृष्टिकोण

लिथियम-आयन बैटरी, उनके उत्कृष्ट प्रदर्शन के कारण, उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स, बिजली और ऊर्जा भंडारण में व्यापक रूप से उपयोग की जाती है, लेकिन थर्मल सुरक्षा के मुद्दे उनके व्यापक अपनाने में बाधा डालते हैं।थर्मल रनवे का मुख्य कारण असामान्य गर्मी को समय पर दूर करने में असमर्थता हैथर्मल समस्याओं का अध्ययन करने के लिए प्रयोगात्मक और मॉडल सिमुलेशन दोनों ही महत्वपूर्ण उपकरण हैं।प्रत्येक अपने फायदे और नुकसान के साथ: प्रयोगात्मक विधियां वास्तविक दुनिया की स्थितियों में सटीक गर्मी उत्पादन डेटा प्राप्त कर सकती हैं, लेकिन यह प्रक्रिया जटिल, समय लेने वाली और महंगी है;मॉडल सिमुलेशन विधियां सरल हैं और उनका चक्र छोटा है।, लेकिन उनमें कुछ त्रुटियां हैं और वे वास्तविकता से विचलित हो सकती हैं।

भविष्य के अनुसंधान में इन दो दृष्टिकोणों को व्यवस्थित रूप से जोड़ना चाहिए: प्रयोगात्मक डिजाइन के लिए सिमुलेशन परिणामों का उपयोग करना, प्रयोगात्मक चक्रों को छोटा करना और बजट को कम करना;और सिमुलेशन मॉडल को सत्यापित करने और संशोधित करने के लिए प्रयोगात्मक डेटा का उपयोग करनाइस तालमेल के माध्यम से हम लिथियम-आयन बैटरी के थर्मल गुणों में गहराई से जा सकते हैं, थर्मल प्रबंधन समाधानों को अनुकूलित कर सकते हैं और सुरक्षित,कुशल, और लिथियम आयन बैटरी का बड़े पैमाने पर उपयोग।