Studio sperimentale sui problemi termici delle batterie agli ioni di litio

Le caratteristiche termiche delle batterie agli ioni di litio influenzano direttamente le loro prestazioni applicative (capacità, resistenza interna, potenza, ecc.) e la sicurezza termica,che costituisce una preoccupazione fondamentale per i consumatoriPer guidare la progettazione e le strategie di utilizzo delle batterie e garantire la loro applicazione sicura ed efficiente, è fondamentale una ricerca approfondita sulle caratteristiche termiche in diverse condizioni di funzionamento.Questo documento riassume e analizza in modo completo i progressi della ricerca sui problemi termici delle batterie agli ioni di litio sia dal punto di vista sperimentale che da quello della simulazione di modelli, evidenziando i vantaggi e gli svantaggi dei due metodi e proponendo suggerimenti per future ricerche che combinino entrambi gli approcci.

Attualmente, le batterie ricaricabili più comunemente utilizzate sono le batterie al piombo-acido, quelle al nichel-cadmio, quelle al nichel-idruro metallico e quelle agli ioni di litio.le batterie agli ioni di litio sono ampiamente utilizzate nell'elettronica di consumo, batterie di potenza e stoccaggio dell'energia a causa dei loro vantaggi quali la lunga durata del ciclo, l'elevata efficienza di carica-scarica, l'elevata energia specifica e l'assenza di inquinamento.I frequenti incidenti di sicurezza come incendi ed esplosioni delle batterie agli ioni di litio hanno reso i rischi per la sicurezza termica un collo di bottiglia per il loro ulteriore sviluppo.La sovraccarica e la sovraccarica delle batterie agli ioni di litio possono facilmente far penetrare i dendriti nel separatore, portando a cortocircuiti,o causare cortocircuiti interni a causa di compressione o foratura, entrambi i quali provocano un grande accumulo di calore, un rapido aumento della temperatura e infine una fuga termica.ottimizzazione della progettazione della batteria, la stima delle variazioni della temperatura interna e lo sviluppo di sistemi di gestione termica sono di grande importanza per garantire il funzionamento sicuro e affidabile delle batterie, prolungando la loro vita utile,e evitare incidenti di fuga termicaAttualmente, la ricerca sulle questioni termiche delle batterie agli ioni di litio è principalmente divisa in due categorie: ricerca sperimentale e simulazione di modelli.

1Ricerca sperimentale sulla generazione termica nelle batterie agli ioni di litio

I metodi sperimentali sono il mezzo principale per studiare la generazione termica delle batterie agli ioni di litio.Essi utilizzano principalmente apparecchiature calorimetriche per monitorare le caratteristiche termiche della batteria in condizioni di funzionamento specifiche, ottenendo con precisione dati di generazione termica per fornire un supporto fondamentale per le ricerche successive.

1.1 Ricerche sperimentali con apparecchiature calorimetriche combinate

Attualmente, le attrezzature principali per gli esperimenti di generazione termica delle batterie agli ioni di litio sono il calorimetro accelerato (ARC) e il calorimetro isotermo (IBC).L'ARC è utilizzato per testare il comportamento esotermico e la sicurezza delle batterie e dei componenti in condizioni quasi adiabatiche, e può condurre prove quali la stabilità termica, le proprietà termiche del materiale, la capacità termica specifica, la visualizzazione della fuga termica e le prove di penetrazione/pressione/sovracarica dell'ago.L'IBC mantiene una temperatura costante della batteria attraverso un sistema di raffreddamento, misurando con precisione lo scambio di calore tra la batteria e l'ambiente esterno in condizioni di funzionamento normali e entro un intervallo di temperatura tipico.La ricerca attuale combina spesso la calorimetria con metodi di prova elettrochimici per esplorare la relazione intrinseca tra generazione di calore e comportamento elettrochimica.

Utilizzando come oggetto di ricerca 18650 batterie cilindriche agli ioni di litio, sono stati utilizzati un calorimetro e un ciclo di batterie multicanale per analizzare gli effetti della temperatura di esercizio (35°C, 45°C,55°C) e velocità di carica/scarica (C/3, C/2, C/1) sulla velocità di generazione di calore.e inizialmente assorbe il calore seguito da rilascio durante la ricarica (il calore di reazione iniziale dominaInoltre, la velocità di scarica ha un impatto significativo sull'effetto esotermico, mentre la temperatura ambiente ha un effetto minore.Sono state selezionate tre batterie cilindriche 18650 di diversi produttori per studiare gli effetti della velocità di carica/scarica sull'aumento della temperatura e sulla velocità di generazione di calore a 35°C, verificando l'influenza significativa del tasso di scarico, coerente con le ricerche precedenti.

Utilizzando una batteria quadrata di litio ferro fosfato da 20 A·h come oggetto di ricerca,Per analizzare sistematicamente gli effetti della velocità di carica-scarica (0.5C~2C), temperatura ambiente (-10°C~40°C) e stato di carica (0~70%) sulle caratteristiche termiche.più piccolo è lo stato di carica, e più bassa è la temperatura ambiente, maggiore è la potenza di generazione di calore e la velocità di variazione della temperatura della batteria.più significativo è l'aumento della temperaturaLo stato di carica influisce solo sul tasso di variazione della temperatura durante la fase di scarica; maggiore è la temperatura iniziale, minore è l'innalzamento della temperatura.Questo fornisce supporto dati per la selezione delle condizioni di funzionamento della batteria.

1.2 Calcolo teorico per aiutare l'analisi sperimentale

Il metodo di calcolo teorico si basa sul principio della generazione di calore, misurando parametri chiave come il sovrapotenziale, il coefficiente di entropia e la resistenza interna.e combinandole con formule, si stima la generazione totale di calore della batteria. Durante la normale carica-scarica, il calore delle reazioni collaterali e dei processi di miscelazione può essere ignorato.Il tasso di generazione di calore può essere calcolato utilizzando il modello semplificato di BernardiIl requisito fondamentale consiste nel determinare la resistenza interna (Rin) e il coefficiente di entropia (dU/dT) della batteria.e invecchiamento, con schemi chiari, ma esistono variazioni a causa di differenze nei materiali delle batterie e nei processi di fabbricazione.

Sono state selezionate due batterie cilindriche 18650 e la loro resistenza sotto diversi stati di carica è stata testata utilizzando quattro metodi.Il metodo della curva caratteristica V-I ha prodotto risultati coerenti e superiori al metodo della differenza di tensione di funzionamento a circuito apertoSimultaneamente, la variazione di entropia è stata testata utilizzando entrambi i metodi, mostrando un elevato accordo dei dati.combinato con i dati relativi alla resistenza e alla variazione di entropia, corrispondeva ampiamente ai risultati sperimentali, verificando la fattibilità del metodo di calcolo.

2Sviluppo di modelli termici per batterie agli ioni di litio

Con lo sviluppo della tecnologia informatica, la simulazione di modelli è diventata uno strumento importante per studiare i problemi termici delle batterie agli ioni di litio.I modelli possono essere classificati in modelli a massa aggregata e modelli da uno a tre dimensioniIn base al meccanismo, possono essere classificati in modelli di accoppiamento elettrochimico-termale, modelli di accoppiamento elettrotermale e modelli di abuso termico.Ogni modello affronta i problemi termici in scenari diversi.

2.1 Modello di accoppiamento elettrochimico-termico

Questo modello è costruito in base alla generazione di calore da reazioni elettrochimiche ed è adatto per simulare la distribuzione della temperatura nelle normali condizioni di funzionamento della batteria.Si presuppone in genere una densità di corrente uniforme (precisione affidabile per piccole batterieUn modello elettrochimico pseudo-due-dimensionale abbinato a un modello tridimensionale di trasferimento di calore,considerando fonti di calore quali reazioni elettrochimiche, i processi di polarizzazione e le perdite ohmiche hanno prodotto risultati di simulazione per una batteria a sacchetto di litio-fosfato di ferro da 10 A·h che erano coerenti con i risultati sperimentali e dei test a infrarossi,convalida dell'efficacia del modelloSi è anche riscontrato che la temperatura della batteria superava i 50°C durante la scarica a 5°C, rendendo necessaria la progettazione di misure di raffreddamento.

Per studiare il comportamento termico delle batterie LiMn2O4 è stato creato un modello unidimensionale elettrochimico e un modello tridimensionale accoppiato termicamente.Si è scoperto che il calore reversibile non è trascurabile a bassi tassi di scaricoPer le batterie cilindriche 18650 e 18650, la temperatura della batteria può essere ridotta con la riduzione dello spessore dell'elettrodo e della dimensione delle particelle del materiale attivo.un modello di generazione di calore a coordinate cilindriche è stato utilizzato per esplorare le caratteristiche termiche a diverse velocità di scaricoI risultati della simulazione e degli esperimenti hanno mostrato un buon accordo, confermando che il riscaldamento in Joule domina a tassi di scarico elevati e il riscaldamento a cambiamento di entropia domina a tassi di scarico bassi.

2.2 Modello accoppiato elettrocalore

Questo modello combina la distribuzione interna della densità di corrente della batteria per studiare la distribuzione del campo di temperatura, guidando la progettazione e la ricerca di consistenza della forma della batteria, degli elettrodi,e raccoglitori di correnteAttualmente, la maggior parte dei modelli utilizza modelli bidimensionali o tridimensionali non stratificati, e c'è ancora spazio per un miglioramento della precisione.Un modello bidimensionale di accoppiamento elettrotermico è stato utilizzato per studiare le batterie polimeriche LiMn2O4 e Li[NiCoMn]O2Sono stati analizzati gli effetti della struttura dell'elettrodo e della velocità di scarica/carica sul potenziale, sulla densità di corrente e sulla velocità di generazione di calore.I risultati della simulazione hanno mostrato un buon accordo con i dati sperimentali, fornendo sostegno per l'ottimizzazione delle strategie di raffreddamento.

Per una batteria LiMn2O4/C da 14,6 A·h, è stato stabilito un modello di accoppiamento elettrotermico per analizzare il comportamento delle scariche a bassa temperatura.i risultati della simulazione a basse temperature (-20°C~0°C) sono stati resi coerenti con i risultati sperimentaliPer ottenere la distribuzione della temperatura sotto diversi livelli di potenza, sono state condotte simulazioni di carica-scarica a potenza costante, che forniscono un riferimento per la gestione termica della batteria.

2.3 Modello di abuso termico

Il modello di abuso termico è stato utilizzato per studiare la sicurezza termica della batteria, accoppiando le reazioni esotermiche interne per simulare la comparsa e lo sviluppo di fuga termica sotto abuso termico.È stata condotta una revisione della letteratura sui test e sulle simulazioni di abuso, e reazioni esotermiche multiple sono state selezionate per stabilire modelli termici in condizioni di abuso come scatole calde, cortocircuito, sovraccarico e penetrazione dell'ago.È stato analizzato il ruolo dei leganti fluorurati nella fuga termica, e la loro influenza è risultata relativamente piccola.

l'aggiornamento del modello unidimensionale di abuso termico a un modello tridimensionale, tenendo conto della forma, delle dimensioni e della distribuzione della temperatura dei materiali dei componenti della batteria,E gli esperimenti di simulazione del forno hanno rivelato che le batterie più piccole dissipano il calore più velocemente e sono meno soggette alla fuga termicaUn modello di simulazione numerica dell'esperimento di penetrazione dell'unghia, attraverso equazioni di controllo elettrochimica e equazioni di abuso termico,Prevede con precisione i cambiamenti di temperatura e l'inizio della fuga termica durante il processo di penetrazione dell'unghia, coerente con i risultati sperimentali, risolvendo così il problema degli esperimenti di penetrazione delle unghie che richiedono molto tempo e sono costosi.

3Conclusioni e prospettive

Le batterie agli ioni di litio, a causa delle loro eccellenti prestazioni, sono ampiamente utilizzate nell'elettronica di consumo, nell'energia e nello stoccaggio dell'energia, ma i problemi di sicurezza termica ostacolano la loro diffusa adozione.La ragione principale della fuga termica è l'incapacità di dissipare il calore anormale in modo tempestivoI metodi sperimentali e i metodi di simulazione dei modelli sono strumenti chiave per studiare i problemi termici.ciascuno con i suoi vantaggi e svantaggi: i metodi sperimentali possono ottenere con precisione dati sulla generazione di calore in condizioni reali, ma il processo è complesso, richiede tempo e è costoso;i metodi di simulazione del modello sono semplici e hanno un ciclo breve, ma presentano alcuni errori e possono deviare dalla realtà.

La ricerca futura dovrebbe combinare in modo organico questi due approcci: utilizzare i risultati della simulazione per guidare la progettazione sperimentale, abbreviare i cicli sperimentali e ridurre i budget;e utilizzando i dati sperimentali per verificare e rivedere i modelli di simulazioneAttraverso questa sinergia, possiamo approfondire le caratteristiche termiche delle batterie agli ioni di litio, ottimizzare le soluzioni di gestione termica e promuovere la sicurezza,efficienti, e l'applicazione su larga scala delle batterie agli ioni di litio.