Studi Eksperimental tentang Masalah Termal Baterai Lithium-ion

Karakteristik termal baterai lithium-ion secara langsung mempengaruhi kinerja aplikasi (kapasitas, resistensi internal, daya, dll.) dan keamanan termal,yang merupakan perhatian utama bagi konsumenUntuk membimbing strategi desain dan penggunaan baterai dan memastikan penerapannya yang aman dan efisien, penelitian mendalam tentang karakteristik termal di bawah kondisi operasi yang berbeda sangat penting.Makalah ini secara komprehensif meringkas dan menganalisis kemajuan penelitian tentang masalah termal baterai lithium-ion dari perspektif eksperimen dan simulasi model, menunjukkan keuntungan dan kerugian dari kedua metode dan mengusulkan saran untuk penelitian di masa depan yang menggabungkan kedua pendekatan.

Saat ini, baterai isi ulang yang umum digunakan termasuk baterai asam timbal, baterai nikel-kadmium, baterai nikel-logam hidrida, dan baterai lithium-ion.Baterai lithium-ion banyak digunakan dalam elektronik konsumen, baterai daya, dan penyimpanan energi karena keunggulan mereka seperti umur siklus yang panjang, efisiensi muatan-pengurangan yang tinggi, energi spesifik yang tinggi, dan tidak ada polusi.Kecelakaan keamanan yang sering terjadi seperti kebakaran dan ledakan baterai lithium-ion telah membuat risiko keamanan termal menjadi hambatan untuk pengembangan lebih lanjutOvercharging dan over-discharging dari baterai lithium-ion dapat dengan mudah menyebabkan dendrit untuk menembus pemisah, menyebabkan sirkuit pendek,atau menyebabkan sirkuit pendek internal karena kompresi atau tindikanOleh karena itu, mempelajari karakteristik termal baterai dan keamanan termal,mengoptimalkan desain baterai, memperkirakan perubahan suhu internal, dan mengembangkan skema manajemen termal sangat penting untuk memastikan operasi baterai yang aman dan dapat diandalkan, memperpanjang umur layanan mereka,dan menghindari kecelakaan termalSaat ini, penelitian tentang masalah termal baterai lithium-ion terutama dibagi menjadi dua kategori: penelitian eksperimental dan simulasi model.

1Penelitian Eksperimental pada Generasi Panas di Baterai Lithium-Ion

Metode eksperimental adalah sarana inti untuk mempelajari generasi termal baterai lithium-ion.Mereka terutama menggunakan peralatan kalori untuk memantau karakteristik termal baterai di bawah kondisi operasi tertentu, dengan akurat memperoleh data pembangkit panas untuk memberikan dukungan mendasar untuk penelitian berikutnya.

1.1 Penelitian Eksperimental Menggunakan Peralatan Kalorimetrik Gabungan

Saat ini, peralatan inti untuk percobaan generasi termal baterai lithium-ion adalah calorimeter dipercepat (ARC) dan calorimeter isothermal (IBC).ARC digunakan untuk menguji perilaku eksotermik dan keselamatan baterai dan komponen di bawah kondisi hampir adiabatik, dan dapat melakukan tes seperti stabilitas termal, sifat termal material, kapasitas panas spesifik, visualisasi termal runaway, dan tes penetrasi jarum / memeras / overcharge.IBC mempertahankan suhu baterai konstan melalui sistem pendinginan, dengan akurat mengukur pertukaran panas antara baterai dan lingkungan luar dalam kondisi operasi normal dan dalam kisaran suhu yang khas.Penelitian saat ini sering menggabungkan kalorimetri dengan metode pengujian elektrokimia untuk mengeksplorasi hubungan intrinsik antara produksi panas dan perilaku elektrokimia.

Dengan menggunakan 18650 baterai lithium-ion silinder sebagai objek penelitian, calorimeter dan siklus baterai multi-saluran digunakan untuk menganalisis efek suhu operasi (35°C, 45°C,55°C) dan tingkat pengisian/pengeluaran (C/3Hasilnya menunjukkan bahwa baterai secara terus menerus melepaskan panas selama pembuangan,dan awalnya menyerap panas diikuti dengan pelepasan selama pengisian (panas reaksi awal mendominasi, kemudian panas Joule mendominasi). Selain itu, laju pelepasan memiliki dampak yang signifikan pada efek eksotermik, sedangkan suhu lingkungan memiliki efek kecil.Baterai silinder 18650 dari tiga produsen yang berbeda dipilih untuk menyelidiki efek dari tingkat muatan/pengurangan pada kenaikan suhu dan tingkat produksi panas pada 35°C, memverifikasi pengaruh signifikan dari tingkat pelepasan, konsisten dengan penelitian sebelumnya.

Menggunakan 20 A∙h lithium besi fosfat baterai persegi sebagai objek penelitian,Sebuah kalorimeter isotermik/adiabatik dan penguji muatan-pengurangan digunakan untuk secara sistematis menganalisis efek dari laju muatan-pengurangan (0.5C ~ 2C), suhu sekitar (-10 °C ~ 40 °C), dan keadaan muatan (0 ~ 70%) pada karakteristik termal.semakin kecil kondisi muatan, dan semakin rendah suhu lingkungan, semakin tinggi daya pembangkit panas baterai dan tingkat perubahan suhu.semakin signifikan kenaikan suhuKondisi muatan hanya mempengaruhi tingkat perubahan suhu selama fase pembuangan; semakin tinggi suhu awal, semakin rendah kenaikan suhu.Ini memberikan dukungan data untuk memilih kondisi operasi baterai.

1.2 Perhitungan Teoritis untuk Membantu Analisis Eksperimental

Metode perhitungan teoritis didasarkan pada prinsip produksi panas. Dengan mengukur parameter kunci seperti overpotential, koefisien entropi, dan resistensi internal,dan menggabungkannya dengan rumus, total produksi panas baterai diperkirakan. Selama pengisian-pengurangan normal, panas dari reaksi sampingan dan proses pencampuran dapat diabaikan.Tingkat produksi panas dapat dihitung menggunakan model Bernardi yang disederhanakanPersyaratan inti adalah untuk menentukan resistensi internal baterai (Rin) dan koefisien entropi (dU/dT).dan penuaan, dengan pola yang jelas, tetapi ada variasi karena perbedaan bahan baterai dan proses manufaktur.

Dua baterai silinder 18650 dipilih, dan ketahanan mereka di bawah keadaan muatan yang berbeda diuji dengan menggunakan empat metode.Metode kurva karakteristik V-I menghasilkan hasil yang konsisten dengan dan lebih tinggi dari metode perbedaan tegangan operasi sirkuit terbukaPada saat yang sama, perubahan entropi diuji menggunakan kedua metode, menunjukkan kesepakatan data yang tinggi.dikombinasikan dengan data perubahan resistensi dan entropi, sebagian besar sesuai dengan hasil percobaan, memverifikasi kelayakan metode perhitungan.

2Pengembangan Lithium-ion Battery Thermal Models

Dengan perkembangan teknologi komputer, simulasi model telah menjadi alat penting untuk mempelajari masalah termal baterai lithium-ion.model dapat dikategorikan menjadi model massa tersusun dan model satu hingga tiga dimensiBerdasarkan mekanisme, mereka dapat dikategorikan menjadi model kopling elektro-kimia-termik, model kopling elektrotermik, dan model penyalahgunaan termal.Setiap model menangani masalah termal dalam skenario yang berbeda.

2.1 Model Kopling Elektro-Kimia-Termal

Model ini dibangun dari perspektif produksi panas dari reaksi elektrokimia dan cocok untuk mensimulasikan distribusi suhu dalam kondisi operasi baterai normal.Ini biasanya mengasumsikan kepadatan arus yang seragam (keakuratan yang dapat diandalkan untuk baterai kecil)Sebuah model elektro-kimia pseudo-dua dimensi ditambah dengan model transfer panas tiga dimensi,mempertimbangkan sumber panas seperti reaksi elektrokimia, proses polarisasi, dan kerugian ohmic, menghasilkan hasil simulasi untuk baterai kantong lithium besi fosfat 10 A∙h yang konsisten dengan hasil pengujian eksperimental dan inframerah,memvalidasi efektivitas modelTelah ditemukan juga bahwa suhu baterai melebihi 50 °C selama 5 °C, sehingga diperlukan desain tindakan pendinginan.

Sebuah model elektro-kimia satu dimensi dan termal berpasangan tiga dimensi didirikan untuk mempelajari perilaku termal baterai LiMn2O4.Telah ditemukan bahwa panas reversibel tidak dapat diabaikan pada tingkat pelepasan rendah, sementara panas ohmic mendominasi pada tingkat pelepasan yang tinggi. mengurangi ketebalan elektroda dan ukuran partikel bahan aktif dapat menurunkan suhu baterai. untuk 18650 baterai silinder,model generasi panas koordinat silinder digunakan untuk mengeksplorasi karakteristik termal pada tingkat pelepasan yang berbedaHasil simulasi dan eksperimen menunjukkan kesepakatan yang baik, mengkonfirmasi bahwa pemanasan Joule mendominasi pada tingkat pelepasan yang tinggi dan pemanasan perubahan entropi mendominasi pada tingkat pelepasan yang rendah.

2.2 Model Terkupluk Elektrotermik

Model ini menggabungkan distribusi kepadatan arus internal baterai untuk mempelajari distribusi medan suhu, membimbing desain dan penelitian konsistensi bentuk baterai, elektroda,dan kolektor arusSaat ini, sebagian besar model menggunakan model dua dimensi atau tiga dimensi tanpa lapisan, dan masih ada ruang untuk peningkatan akurasi.Model kopling elektrotermik dua dimensi digunakan untuk mempelajari baterai polimer LiMn2O4 dan Li[NiCoMn]O2Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa energi yang dihasilkan dari energi yang dihasilkan dari energi yang dihasilkan dari energi yang dihasilkan dari energi yang dihasilkan dari energi yang dihasilkan dari energi yang dihasilkan dari energi yang dihasilkan dari energi yang dihasilkan.Hasil simulasi menunjukkan persetujuan yang baik dengan data eksperimen, memberikan dukungan untuk optimalisasi strategi pendinginan.

Untuk baterai 14,6 A∙h LiMn2O4/C, model kopling elektrotermik dibuat untuk menganalisis perilaku pelepasan suhu rendah.Hasil simulasi pada suhu rendah (-20°C~0°C) dibuat konsisten dengan hasil percobaanSimulasi muatan-pengurangan daya konstan dilakukan untuk mendapatkan distribusi suhu di bawah tingkat daya yang berbeda, memberikan referensi untuk manajemen termal baterai.

2.3 Model Penyalahgunaan Panas

Model penyalahgunaan panas digunakan untuk mempelajari keamanan termal baterai, menghubungkan reaksi eksotermik internal untuk mensimulasikan terjadinya dan perkembangan termal runaway di bawah penyalahgunaan panas.Sebuah tinjauan terhadap pengujian penyalahgunaan dan literatur simulasi dilakukan, dan beberapa reaksi eksotermik dipilih untuk membangun model termal di bawah kondisi penyalahgunaan seperti kotak panas, sirkuit pendek, overcharge, dan penetrasi jarum.Peran pengikat fluorinasi dalam pelarian termal dianalisis, dan pengaruh mereka ditemukan relatif kecil.

Meningkatkan model penyalahgunaan panas satu dimensi menjadi model tiga dimensi, dengan mempertimbangkan bentuk, ukuran, dan distribusi suhu bahan komponen baterai,dan simulasi eksperimen oven menunjukkan bahwa baterai yang lebih kecil disipasi panas lebih cepat dan kurang rentan terhadap panas melarikan diriSebuah model simulasi numerik dari eksperimen penetrasi kuku, melalui persamaan kontrol elektrokimia dan persamaan penyalahgunaan panas,secara akurat memprediksi perubahan suhu dan timbulnya termal runaway selama proses penetrasi kuku, konsisten dengan hasil eksperimen, sehingga memecahkan masalah eksperimen penetrasi kuku yang memakan waktu dan mahal.

3Kesimpulan dan Prospek

Baterai lithium-ion, karena kinerjanya yang sangat baik, banyak digunakan dalam elektronik konsumen, tenaga, dan penyimpanan energi, tetapi masalah keamanan termal menghambat penerapan mereka secara luas.Penyebab utama termal kabur adalah ketidakmampuan untuk menghilangkan panas abnormal dalam waktu yang tepatMetode eksperimen dan metode simulasi model adalah alat kunci untuk mempelajari masalah termal.masing-masing dengan keuntungan dan kerugian: metode eksperimental dapat dengan akurat memperoleh data pembangkit panas di bawah kondisi dunia nyata, tetapi prosesnya rumit, memakan waktu, dan mahal;metode simulasi model sederhana dan memiliki siklus pendek, tetapi mereka memiliki kesalahan tertentu dan mungkin menyimpang dari kenyataan.

Penelitian di masa depan harus secara organik menggabungkan kedua pendekatan ini: menggunakan hasil simulasi untuk membimbing desain eksperimen, memperpendek siklus eksperimen dan mengurangi anggaran;dan menggunakan data eksperimental untuk memverifikasi dan merevisi model simulasiMelalui sinergi ini, kita dapat menyelidiki lebih dalam tentang karakteristik termal baterai lithium-ion, mengoptimalkan solusi manajemen termal, dan mempromosikan keamanan, keamanan, dan keamanan.efisien, dan aplikasi baterai lithium-ion secara besar-besaran.