리튬 이온 배터리의 열 문제에 대한 실험 연구

리?? 이온 배터리의 열 특성은 직접적으로 애플리케이션 성능 (용량, 내부 저항, 전력 등) 과 열 안전에 영향을 미칩니다.소비자들의 주요 관심사인배터리 설계 및 사용 전략을 안내하고 안전하고 효율적인 응용을 보장하기 위해서는 다양한 운영 조건에서 열 특성에 대한 심도 있는 연구가 중요합니다.이 논문은 리?? 이온 배터리 열 문제를 실험 및 모델 시뮬레이션 관점에서 연구 진행을 포괄적으로 요약하고 분석합니다.이 두 가지 방법의 장단점을 지적하고 두 가지 접근 방식을 결합한 미래 연구에 대한 제안을 제안합니다.

현재 일반적으로 사용 되는 재충전 배터리 들 은 납산 배터리, 니켈-카드미엄 배터리, 니켈-금속 하이드 배터리, 리?? 이온 배터리 들 이다. 그 들 가운데,리?? 이온 배터리는 소비자 전자제품에 널리 사용됩니다., 전력 배터리 및 에너지 저장장치의 장점으로 인해 긴 주기 수명, 높은 충전-폐하 효율성, 높은 특정 에너지 및 오염이 없습니다.리?? 이온 배터리의 화재 및 폭발과 같은 빈번한 안전 사고는 열 안전 위험을 더 이상의 개발에 걸림돌로 만들었습니다.리?? 이온 배터리의 과부하와 과부하가 간편하게 덩드라이트가 분리기에 침투하여 단회로로 이어질 수 있습니다또는 압축 또는 펑크로 인해 내부 단회로 발생, 둘 다 큰 열의 축적, 급격한 온도 상승, 그리고 궁극적으로 열 도주로 이어집니다. 따라서, 배터리 열 특성 및 열 안전 연구,배터리 설계 최적화, 내부 온도 변화를 추정하고 열 관리 시스템을 개발하는 것은 배터리의 안전하고 신뢰할 수있는 작동을 보장하고 서비스 수명을 연장하는 데 매우 중요합니다.그리고 열로 인해 발생하는 사고를 피합니다.현재 리?? 이온 배터리 열 문제에 대한 연구는 주로 실험 연구와 모델 시뮬레이션 두 가지 범주로 나뉘어 있습니다.

1리?? 이온 배터리의 열 발생에 대한 실험 연구

실험 방법은 리?? 이온 배터리의 열 발생을 연구하는 핵심 수단입니다.그들은 주로 열 측정 장비를 사용하여 특정 운영 조건 하에서 배터리의 열 특성을 모니터링 합니다., 후속 연구에 기초적인 지원을 제공하기 위해 정확한 열 생산 데이터를 얻습니다.

1.1 결합 열량 측정 장비를 이용한 실험 연구

현재 리?? 이온 배터리 열 발생 실험의 핵심 장비는 가속 열량 측정기 (ARC) 와 동열 열량 측정기 (IBC) 이다.ARC는 거의 아디아바틱 조건에서 배터리와 부품의 외부 열 행동 및 안전성을 테스트하는 데 사용됩니다., 그리고 열 안정성, 재료 열 특성, 특정 열 용량, 열 도출 시각화 및 바늘 침투 / 압축 / 과충량 테스트와 같은 테스트를 수행 할 수 있습니다.IBC는 냉각 시스템을 통해 배터리 온도를 일정하게 유지, 정상 작동 조건과 전형적인 온도 범위 내에서 배터리와 외부 환경 사이의 열 교환을 정확하게 측정합니다.현재 연구에서는 열량 측정과 전기 화학 테스트 방법을 결합하여 열 발생과 전기 화학 행동 사이의 본질적 관계를 탐구합니다..

연구 대상이 18650개의 실린더 리?? 이온 배터리를 이용한 칼로리미터와 다채널 배터리 사이클러를 사용하여 작동 온도 (35°C, 45°C,55°C) 및 충전/충전 속도 (C/3, C/2, C/1) 는 열 발생 속도에 관한 것입니다. 결과는 배터리가 방출 중에 지속적으로 열을 방출한다는 것을 보여주었습니다.그리고 처음에는 열을 흡수하고 충전 중에 방출됩니다 (초기 반응 열은 지배합니다)더 나아가 방출 속도는 외부 열 효과에 중요한 영향을 미치며, 주변 온도는 작은 영향을 미칩니다. 배터리 유형을 확장하면35°C의 온도 상승과 열 생성 속도에 대한 충전/폐하 속도의 영향을 조사하기 위해 다른 제조사의 18650 실린더 배터리 3개를 선택했습니다., 이전 연구와 일치하는 배출율의 중요한 영향을 확인합니다.

20A·h 리?? 철화수소 쿼드 배터리를 연구 대상으로 사용해서이소열/아디아바틱 칼로리미터와 충전-폐출 검사기를 사용하여 충전-폐출 속도의 효과를 체계적으로 분석했습니다..5C ~ 2C), 주변 온도 (-10°C ~ 40°C) 및 충전 상태 (0 ~ 70%) 는 열 특성에 관한 것입니다. 결과는 이소열 조건에서 충전-폐하 속도가 높을수록충전 상태가 작을수록, 그리고 주변 온도가 낮을수록 배터리의 열 발생 능력과 온도 변화율이 높습니다.온도가 높아질수록충전 상태는 배열 단계에서 온도 변화율에만 영향을 미칩니다. 초기 온도가 높을수록 온도 상승률이 낮습니다.이것은 배터리 작동 조건을 선택하는 데이터 지원을 제공합니다..

1.2 실험 분석을 돕기 위한 이론적 계산

이론적 계산 방법은 열 발생 원리에 기반합니다. 과잉 잠재력, 엔트로피 계수, 내적 저항과 같은 주요 매개 변수를 측정함으로써그리고 수식과 결합하여, 배터리의 총 열 생산량은 추정됩니다. 정상적인 충전-폐하 과정에서 부작용과 혼합 과정의 열은 무시 될 수 있습니다.열 발생률은 Bernardi 단순화된 모델을 사용하여 계산할 수 있습니다.핵심 요구 사항은 배터리의 내부 저항 (Rin) 과 엔트로피 계수 (dU/dT) 를 결정하는 것입니다. 배터리의 내부 저항은 온도, 충전 상태,노화, 명확한 패턴이 있지만 배터리 재료와 제조 과정의 차이로 인해 차이가 있습니다.

18650 실린더형 배터리 두 개 를 선택 하고, 다른 충전 상태 하 에서 그 저항 을 네 가지 방법 으로 시험 하였다.V-I 특성 곡선 방법은 오픈 서킷 전압 작동 전압 차이 방법과 일치하고 그보다 높은 결과를 얻었습니다.동시에, 엔트로피 변화 두 방법을 사용하여 테스트, 높은 데이터 동의를 보여줍니다.저항 및 엔트로피 변화 데이터와 결합, 실험 결과와 크게 일치하여 계산 방법의 실행 가능성을 확인했습니다.

2리?? 이온 배터리 열 모델 개발

컴퓨터 기술의 발전으로 모델 시뮬레이션은 리?? 이온 배터리의 열 문제를 연구하는 중요한 도구가되었습니다.모델은 덩어리 질량 모델과 1차원에서 3차원 모델로 분류될 수 있습니다.: 메커니즘에 따라 전기 화학 열 결합 모델, 전기 열 결합 모델 및 열 남용 모델로 분류 할 수 있습니다.각 모델은 다른 시나리오에서 열 문제를 해결합니다..

2.1 전기화학 열 결합 모델

이 모델은 전기 화학 반응에서 열 생성의 관점에서 구성되었으며 정상적인 배터리 작동 조건에서 온도 분포를 시뮬레이션하기에 적합합니다.일반적으로 균일한 전류 밀도를 가정합니다 (작은 배터리에 대한 신뢰할 수있는 정확성, 그러나 큰 배터리에서는 오류가 있습니다.) 3차원 열 전달 모델과 결합 된 유사 2차원 전기 화학 모델,전기화학 반응과 같은 열원을 고려하여, 양극화 과정, 그리고 오름 손실, 실험 및 적외선 테스트 결과와 일치하는 10 A∙h 리?? 철화강 봉지 배터리의 시뮬레이션 결과를 얻었습니다.모델의 효과를 검증하는 것또한 5C 배열 때 배터리 온도가 50°C를 초과했다는 것이 밝혀졌으며, 냉각 장치의 설계가 필요했습니다.

1차원 전기 화학 및 3차원 열 결합 모델은 LiMn2O4 배터리의 열 행동을 연구하기 위해 설정되었습니다.회전 가능한 열이 낮은 방출률에서 무시할 수 없다는 것이 밝혀졌습니다., 오름 열은 높은 방출 속도에서 지배합니다. 전극 두께와 활성 물질 입자 크기를 줄이면 배터리 온도를 낮출 수 있습니다. 18650 실린더 배터리,서로 다른 방출 속도의 열 특성을 탐구하기 위해 실린더 코오디나트 열 발생 모델을 사용했습니다.시뮬레이션과 실험 결과는 높은 배열율에서 주울 난방이 지배하고 낮은 배열율에서 엔트로피 변화 난방이 지배한다는 것을 확인하여 좋은 동의를 보여주었습니다.

2.2 전기 열 결합 모델

이 모델은 배터리의 내부 전류 밀도 분포를 결합하여 온도 필드 분포를 연구하여 배터리 모양, 전극,그리고 전류 수집기현재 대부분의 모델은 2차원 또는 3차원 비층 모델을 사용하며 정확도는 여전히 개선될 수 있습니다.2차원 전열 결합 모델은 LiMn2O4 및 Li[NiCoMn]O2 폴리머 배터리를 연구하는 데 사용되었습니다.전극 구조와 방출/전하 속도의 잠재력, 전류 밀도 및 열 발생 속도에 대한 영향이 분석되었습니다.시뮬레이션 결과는 실험 데이터와 잘 일치합니다.냉각 전략 최적화를 지원합니다.

14.6A∙h LiMn2O4/C 배터리에서는 낮은 온도 배열 행동을 분석하기 위해 전열 결합 모델을 만들었습니다. 모델 매개 변수를 수정함으로써,낮은 온도 (-20°C~0°C) 에서 시뮬레이션 결과는 실험 결과와 일치했습니다.일정한 전력 충전-폐하 시뮬레이션을 수행하여 다른 전력 수준에서 온도 분포를 얻으며 배터리 열 관리에 대한 참조를 제공합니다.

2.3 열 남용 모델

열 남용 모델은 배터리 열 안전성을 연구하는 데 사용되었으며, 내부 외열 반응을 결합하여 열 남용으로 열 도출의 발생과 발전을 시뮬레이션합니다.남용 테스트 및 시뮬레이션 문헌에 대한 검토가 수행되었습니다., 그리고 여러 가지 외열 반응이 선택되어 뜨거운 상자, 단전, 과충전 및 바늘 침투와 같은 남용 조건에서 열 모델을 설정했습니다.열 도출에서 플루오린 결합 물질의 역할은 분석되었습니다, 그리고 그들의 영향력은 상대적으로 작았습니다.

일차원 열 사용 모델을 3차원 모델로 업그레이드하여 배터리 구성 요소의 모양, 크기 및 재료 온도 분포를 고려합니다.그리고 오븐을 시뮬레이션하는 실험은 작은 배터리가 더 빨리 열을 분산하고 열이 빠져나가는 경향이 적다는 것을 밝혀냈습니다.전기 화학 제어 방정식과 열 학대 방정식을 통해 손톱 침투 실험의 수치 시뮬레이션 모델정확하게 톱니 침투 과정에서 온도 변화와 열 탈출의 시작을 예측, 실험 결과와 일치하여 시간과 비용이 많이 드는 손톱 침투 실험의 문제를 해결합니다.

3결론과 전망

리?? 이온 배터리는 뛰어난 성능으로 인해 소비자 전자제품, 전력 및 에너지 저장에 널리 사용됩니다. 그러나 열 안전 문제는 광범위한 채택을 방해합니다.열피탈의 주된 이유는 비정상적인 열을 적시에 분산시킬 수 없다는 것입니다., 열 축적 및 급격한 온도 상승으로 이어집니다. 실험 방법과 모델 시뮬레이션 방법 모두 열 문제를 연구하는 핵심 도구입니다.각각의 장단점이 있습니다.: 실험적 방법은 실제 조건에서 정확한 열 생성 데이터를 얻을 수 있지만 프로세스는 복잡하고 시간이 오래 걸리고 비용이 많이 든다.모델 시뮬레이션 방법은 간단하고 짧은 사이클입니다.하지만 그들은 어떤 오류를 가지고 있고 현실에서 벗어날 수 있습니다.

미래 연구는 이러한 두 가지 접근 방식을 유기적으로 결합해야합니다: 실험 설계를 안내하기 위해 시뮬레이션 결과를 사용하여 실험 주기를 단축하고 예산을 줄이십시오.그리고 실험 데이터를 사용하여 시뮬레이션 모델을 확인하고 수정합니다.이 시너지 효과를 통해 리?? 이온 배터리의 열 특성을 더 깊이 탐구하고 열 관리 솔루션을 최적화하고효율적, 리?? 이온 배터리의 대규모 적용.