Экспериментальное исследование тепловых проблем литий-ионных батарей

Тепловые характеристики литий-ионных аккумуляторов напрямую влияют на их работоспособность (мощность, внутреннее сопротивление, мощность и т.д.) и тепловую безопасность,что является основной проблемой для потребителейДля руководства разработкой и использованием батарей и обеспечения их безопасного и эффективного применения крайне важно углубленное исследование тепловых характеристик в различных условиях эксплуатации.В данной статье подробно обобщен и проанализирован прогресс исследований по термическим проблемам литий-ионных батарей как с экспериментальной, так и с моделируемой точки зрения., указывая на преимущества и недостатки обоих методов и предлагая предложения для будущих исследований, объединяющих оба подхода.

В настоящее время наиболее часто используемые аккумуляторы включают в себя свинцово-кислотные, никель-кадмиевые, никель-металлические гидридные и литий-ионные батареи.литий-ионные батареи широко используются в потребительской электронике, батареи и накопители энергии из-за их преимуществ, таких как длительный срок службы, высокая эффективность зарядки-разрядки, высокая удельная энергия и отсутствие загрязнения.Частые аварии, связанные с безопасностью, такие как пожары и взрывы литий-ионных батарей, сделали риски тепловой безопасности узким горлом для их дальнейшего развития.Перезарядка и переразрядка литий-ионных батарей могут легко привести к проникновению дендритов в сепаратор, что приводит к коротким замыканиям,или вызвать внутренние короткие замыкания из-за сжатия или проколПоэтому, изучая тепловые характеристики батареи и тепловую безопасность,оптимизация конструкции батареи, оценка изменений внутренней температуры и разработка систем теплового управления имеют большое значение для обеспечения безопасной и надежной работы батарей, продления их срока службы,и избегать тепловых аварийВ настоящее время исследования по термическим вопросам литий-ионных батарей в основном делятся на две категории: экспериментальные исследования и моделирование.

1Экспериментальные исследования по тепловой генерации в литий-ионных батареях

Экспериментальные методы являются основным средством изучения тепловой генерации литий-ионных батарей.Они в основном используют калориметрическое оборудование для мониторинга тепловых характеристик батареи в определенных условиях эксплуатации, точные данные тепловой генерации для обеспечения фундаментальной поддержки для последующих исследований.

1.1 Экспериментальные исследования с использованием комбинированного калориметрического оборудования

В настоящее время основным оборудованием для экспериментов по тепловой генерации литий-ионных батарей являются ускоренный калориметр (ARC) и изотермический калориметр (IBC).ARC используется для проверки экзотермического поведения и безопасности батарей и компонентов в условиях, близких к адиабатическим., и может проводить тесты, такие как тепловая стабильность, тепловые свойства материала, удельная теплоемкость, визуализация теплового оттока и испытания проникновения иглы / сжатия / перезарядки.IBC поддерживает постоянную температуру батареи через систему охлаждения, точно измеряя теплообмен между батареей и внешней средой при нормальных условиях работы и в пределах типичного температурного диапазона.Нынешние исследования часто сочетают калориметрию с методами электрохимического тестирования для изучения внутренней связи между генерацией тепла и электрохимическим поведением.

Используя в качестве объекта исследования 18650 цилиндрических литий-ионных аккумуляторов, для анализа влияния температуры работы (35°C, 45°C,55°C) и скорость зарядки/разрядки (C/3Результаты показали, что батарея непрерывно высвобождает тепло во время разряда.и первоначально поглощает тепло, затем высвобождается во время зарядки (начальная реакция тепла доминируетКроме того, скорость разряда оказывает значительное влияние на экзотермический эффект, в то время как температура окружающей среды оказывает незначительное влияние.Для изучения влияния скорости зарядки/разрядки на повышение температуры и скорость генерации тепла при 35°C были выбраны цилиндрические батареи 18650 трех разных производителей., проверяя значительное влияние уровня выпуска, в соответствии с предыдущими исследованиями.

Используя в качестве объекта исследования литий-железофосфатную батарею мощностью 20 А.ч.,Для систематического анализа эффектов скорости заряда-разряда использовались изотермический/адиабатический калориметр и тестер заряда-разряда (0Результаты показывают, что при изотермических условиях, чем выше скорость заряда-разряда, тем выше скорость заряда-разряда.чем меньше состояние заряда, и чем ниже температура окружающей среды, тем выше мощность генерации тепла батареи и скорость изменения температуры.чем значительнее повышение температурыСостояние заряда влияет только на скорость изменения температуры во время фазы разряда; чем выше начальная температура, тем меньше повышение температуры.Это обеспечивает поддержку данных для выбора условий работы батареи.

1.2 Теоретические расчеты для помощи в экспериментальном анализе

Теоретический метод расчета основан на принципе генерации тепла, измеряя ключевые параметры, такие как сверхпотенциал, коэффициент энтропии и внутреннее сопротивление.и объединяя их с формуламиПри нормальном заряде и разряде тепло от побочных реакций и процессов смешивания можно игнорировать.Скорость генерации тепла может быть рассчитана с помощью упрощенной модели БернардиОсновное требование заключается в определении внутреннего сопротивления батареи (Rin) и коэффициента энтропии (dU/dT).и старения, с четкими закономерностями, но существуют различия из-за различий в материалах батареи и производственных процессах.

Были отобраны две цилиндрические батареи 18650 года, и их сопротивление при разных состояниях зарядки было проверено с помощью четырех методов.Метод характеристической кривой V-I давал результаты, соответствующие и выше, чем метод разницы напряжения с открытым контуромОдновременно, изменение энтропии было проведено с использованием обоих методов, показывая высокое согласие данных.в сочетании с данными изменения сопротивления и энтропии, в значительной степени соответствовали результатам эксперимента, подтверждая целесообразность метода расчета.

2Разработка тепловых моделей литий-ионных батарей

С развитием компьютерных технологий моделирование стало важным инструментом для изучения тепловых проблем литий-ионных батарей.модели могут быть разделены на модели с объединенной массой и одно- и трехмерные модели; в зависимости от механизма их можно разделить на модели электрохимико-термальной сцепления, модели электротермальной сцепления и модели термозлоупотребления.Каждая модель рассматривает проблемы с тепловой энергией в различных сценариях..

2.1 Модель электрохимико-термальной сцепки

Данная модель построена с точки зрения генерации тепла в результате электрохимических реакций и подходит для моделирования распределения температуры при нормальных условиях работы батареи.Он обычно предполагает единую плотность тока (надежная точность для небольших батарей)Псевдодвухмерная электрохимическая модель в сочетании с трехмерной моделью теплопередачи,учитывая источники тепла, такие как электрохимические реакции, процессы поляризации и омские потери, получили результаты симуляции для литий-железофосфатной батареи с мешком 10 A∙h, которые соответствовали результатам экспериментальных и инфракрасных испытаний,проверка эффективности моделиТакже было установлено, что температура батареи превышает 50°C при разряде 5°C, что требует разработки мер охлаждения.

Для изучения теплового поведения аккумуляторов LiMn2O4 была создана одномерная электрохимическая и трехмерная тепловая модель.Было установлено, что обратимое тепло не является незначительным при низких скоростях сбросаУменьшение толщины электрода и размера частиц активного материала может снизить температуру батареи.для изучения тепловых характеристик при различных скоростях разряда использовалась цилиндрическая координатная модель генерации теплаРезультаты моделирования и экспериментов показали хорошее согласие, подтверждающее, что нагрев в джоуле доминирует при высоких скоростях разряда и нагрев с изменением энтропии доминирует при низких скоростях разряда.

2.2 Электротермальная модель сцепления

Эта модель объединяет внутреннее распределение плотности тока батареи для изучения распределения температурного поля, направляя проектирование и исследование консистенции формы батареи, электродов,и текущие коллекторыВ настоящее время большинство моделей используют двумерные или трехмерные неслойные модели, и в точности все еще есть место для улучшения.Для изучения полимерных аккумуляторов LiMn2O4 и Li[NiCoMn]O2 была использована двухмерная модель электротермальной связкиБыли проанализированы влияние структуры электрода и скорости разряда/зарядки на потенциал, плотность тока и скорость генерации тепла.Результаты моделирования хорошо совпадают с экспериментальными данными, обеспечивая поддержку оптимизации стратегий охлаждения.

Для 14,6 A∙h LiMn2O4/C аккумулятора была создана модель электротермального сцепления для анализа поведения разряда при низкой температуре.Результаты моделирования при низких температурах (-20°C~0°C) соответствовали результатам экспериментаДля получения распределения температуры при различных уровнях мощности были проведены моделирование заряда и разряда постоянной мощности, обеспечивающие ориентиры для управления тепловой энергией батареи.

2.3 Модель теплового использования

Модель термобезопасности была использована для изучения термобезопасности аккумулятора, сочетая внутренние экзотермические реакции для моделирования возникновения и развития теплового оттока при термобезопасности.Был проведен обзор литературы по тестированию и моделированию злоупотреблений, и несколько экзотермических реакций были выбраны для создания тепловых моделей в условиях злоупотребления, таких как горячая коробка, короткое замыкание, перезарядка и проникновение иглы.Была проанализирована роль фторированных связующих веществ в тепловом оттоке, и их влияние оказалось относительно незначительным.

Усовершенствование одномерной модели теплового использования на трехмерную модель с учетом формы, размера и распределения температуры материалов компонентов батареи.и симулирующие опыты печи показали, что более мелкие батареи рассеивают тепло быстрее и менее склонны к тепловому бегству. Численная моделировка эксперимента с проникновением ногтей с помощью электрохимических уравнений управления и уравнений термобезопасности,точно предсказывает изменения температуры и начало теплового оттока во время процесса проникновения ногтей, в соответствии с экспериментальными результатами, таким образом решая проблему трудоемких и дорогих экспериментов с проникновением ногтей.

3Заключение и перспективы

Литий-ионные батареи, благодаря их превосходной производительности, широко используются в потребительской электронике, электропитании и хранении энергии, но проблемы тепловой безопасности препятствуют их широкому внедрению.Основная причина теплового отключения - неспособность своевременно рассеять аномальное тепло., что приводит к накоплению тепла и резкому повышению температуры.Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки.: экспериментальные методы могут точно получать данные о выработке тепла в реальных условиях, но процесс является сложным, трудоемким и дорогим;методы моделирования просты и имеют короткий цикл, но они содержат определенные ошибки и могут отклоняться от реальности.

Будущие исследования должны органично сочетать эти два подхода: использование результатов моделирования для руководства экспериментальным проектированием, сокращение экспериментальных циклов и сокращение бюджетов;и использование экспериментальных данных для проверки и пересмотра моделей моделированияБлагодаря этому взаимодействию мы можем углубиться в термические характеристики литий-ионных батарей, оптимизировать решения по управлению теплой и способствовать безопасному, безопасному и безопасному использованию.эффективный, и широкомасштабное применение литий-ионных батарей.