Lityum-iyon Bataryaların Termal Problemleri Üzerine Deneysel Bir Çalışma

Lityum-iyon pillerin termal özellikleri, uygulama performanslarını (kapasite, iç direnç, güç vb.) ve termal güvenliğini doğrudan etkiler.Tüketicilerin temel kaygısı olanBatarya tasarımı ve kullanım stratejilerine rehberlik etmek ve güvenli ve verimli uygulamalarını sağlamak için, farklı çalışma koşullarında termal özellikler üzerinde derinlemesine araştırma çok önemlidir.Bu makale, hem deneysel hem de model simülasyon bakış açısından lityum iyon batarya termal problemleri üzerine yapılan araştırma ilerlemelerini kapsamlı bir şekilde özetliyor ve analiz ediyor., her iki yöntemin avantaj ve dezavantajlarına dikkat çekerek ve her iki yaklaşımı birleştiren gelecekteki araştırmalar için öneriler sunarak.

Günümüzde yaygın olarak kullanılan şarj edilebilir piller arasında kurşun-asit pilleri, nikel-kadmyum pilleri, nikel-metal hidrid pilleri ve lityum-iyon piller bulunmaktadır.Lityum-ion piller tüketici elektroniklerinde yaygın olarak kullanılmaktadır., güç bataryaları ve enerji depolamaları, uzun döngü ömrü, yüksek şarj-deskarj verimliliği, yüksek spesifik enerji ve kirlilik olmaması gibi avantajları nedeniyle.Lityum-ion pillerinin yangınları ve patlamaları gibi sık güvenlik kazaları, termal güvenlik risklerini daha fazla geliştirmeleri için bir engelle dönüştürdü.Lityum-iyon pillerin aşırı şarj ve boşaltılması kolayca dendritlerin ayırıcıya nüfuz etmesine neden olabilir, bu da kısa devreye yol açar.ya da sıkıştırma veya delik nedeniyle iç kısa devre nedenBu nedenle, pillerin termal özelliklerini ve termal güvenliği incelemek,Batarya tasarımını optimize etmek, iç sıcaklık değişikliklerinin tahmin edilmesi ve termal yönetim sistemlerinin geliştirilmesi, pillerin güvenli ve güvenilir çalışmasını sağlamak ve kullanım ömrünü uzatmak için büyük önem taşımaktadır.ve termal kaçış kazalarından kaçınmakŞu anda, lityum iyon batarya termal sorunları üzerine yapılan araştırmalar esas olarak iki kategoriye ayrılmıştır: deneysel araştırma ve model simülasyonu.

1Lityum-iyon pillerde ısı üretimi üzerine deneysel araştırma

Deneysel yöntemler, lityum iyonlu pillerin termal üretimini incelemenin temel araçlarıdır.Özel çalışma koşullarında pilin termal özelliklerini izlemek için esas olarak kalorimetrik ekipman kullanırlar., daha sonraki araştırmalar için temel destek sağlamak için ısı üretimi verilerini doğru bir şekilde elde etmek.

1.1 Kombine kalorimetrik ekipman kullanan deneysel araştırma

Şu anda, lityum iyonlu batarya termal üretim deneyleri için temel ekipman hızlandırılmış kaloriyometre (ARC) ve izotermal kaloriyometre (IBC) 'dir.ARC, bataryaların ve bileşenlerin neredeyse adyabatik koşullar altında egzotermik davranışını ve güvenliğini test etmek için kullanılır., ve termal kararlılık, malzeme termal özellikleri, spesifik ısı kapasitesi, termal kaçış görselleştirme ve iğne nüfuz/sıkıştırma/aşırı yükleme testleri gibi testleri gerçekleştirebilir.IBC, soğutma sistemi aracılığıyla sabit bir pil sıcaklığını korur., normal çalışma koşullarında ve tipik bir sıcaklık aralığında batarya ile dış ortam arasındaki ısı değişimini doğru bir şekilde ölçer.Mevcut araştırmalar genellikle ısı üretimi ve elektrokimyasal davranış arasındaki içsel ilişkiyi keşfetmek için kaloriometriyi elektrokimyasal test yöntemleriyle birleştirir.

Araştırma nesnesi olarak 18650 silindirik lityum iyonlu pil kullanılarak, bir kalorimetre ve çok kanallı bir pil döngüsü kullanılarak çalışma sıcaklığının etkileri analiz edildi (35°C, 45°C,55°C) ve şarj/şarj hızı (C/3, C/2, C/1) ısı üretimi hızı ile ilgili. Sonuçlar, pilin boşaltma sırasında sürekli olarak ısı saldığını gösterdi.ve başlangıçta ısı emiyor, ardından şarj sırasında salıveriliyor (başlangıç reaksiyon ısıAyrıca, boşaltma hızı egzotermik etki üzerinde önemli bir etkiye sahiptir, ortam sıcaklığı ise küçük bir etkiye sahiptir.35°C'de sıcaklık artışı ve ısı üretimi hızı üzerindeki şarj/şarj hızının etkilerini araştırmak için üç farklı üreticinin 18650 silindirli pilleri seçildi., daha önceki araştırmalar ile tutarlı olarak boşaltma oranının önemli etkisini doğruladı.

Araştırma nesnesi olarak 20 A∙h lityum demir fosfat kare pil kullanılarak,bir izotermal/adiabatik kaloriyometre ve bir yük-boşaltma test cihazı, yük-boşaltma hızının etkilerini sistematik olarak analiz etmek için kullanıldı (0.5C ~ 2C), ortam sıcaklığı (-10 °C ~ 40 °C) ve şarj durumu (0 ~ 70%) ısı özellikleri üzerinde.Şarj durumu ne kadar küçükse, ve ortam sıcaklığı ne kadar düşükse, pilin ısı üretme gücü ve sıcaklık değişim hızı o kadar yüksektir.Sıcaklık artışı ne kadar önemli olursaŞarj durumu sadece boşaltma aşamasında sıcaklık değişim hızını etkiler; başlangıç sıcaklığı ne kadar yüksekse, sıcaklık artışı o kadar düşüktür.Bu, pil çalışma koşullarını seçmek için veri desteği sağlar..

1.2 Deneysel analizlere yardımcı olan teorik hesaplamalar

Teorik hesaplama yöntemi ısı üretimi ilkesine dayanır.Ve onları formüllerle birleştirmekNormal şarj-deskarj sırasında yan reaksiyonlardan ve karıştırma işlemlerinden kaynaklanan ısı göz ardı edilebilir.Isı üretimi hızı Bernardi basitleştirilmiş modeli kullanarak hesaplanabilirAna gereksinim, pilin iç direncini (Rin) ve entropi katsayısını (dU/dT) belirlemektir.ve yaşlanma, açık kalıplarla, ancak pil malzemelerindeki ve üretim süreçlerindeki farklılıklar nedeniyle farklılıklar vardır.

İki 18650 silindirli batarya seçildi ve farklı şarj durumlarında dirençleri dört yöntemle test edildi.V-I karakteristik eğri yöntemi, açık devrede çalışan gerilim farkı yöntemiyle tutarlı ve daha yüksek sonuçlar verdiAynı anda, entropi değişimi, yüksek veri uyumunu gösteren her iki yöntemle de test edildi.Direnç ve entropi değişikliği verileri ile birleştirilmiş, deney sonuçlarına büyük ölçüde uydu ve hesaplama yönteminin uygulanabilirliğini doğruladı.

2Lityum-ion batarya termal modellerinin geliştirilmesi

Bilgisayar teknolojisinin gelişmesiyle birlikte, model simülasyonu, lityum-ion pillerinin termal sorunlarını incelemek için önemli bir araç haline geldi.Modeller birleştirilmiş kütle modelleri ve bir ila üç boyutlu modeller olarak sınıflandırılabilir.Mekanizmaya göre, elektro-kimyasal termal koplama modelleri, elektrotermal koplama modelleri ve termal kötüye kullanım modelleri olarak sınıflandırılabilir.Her model farklı senaryolarda termal sorunları ele alır.

2.1 Elektrokimyasal-Termal Koplama Modeli

Bu model, elektrokimyasal reaksiyonlardan ısı üretimi perspektifinden inşa edilmiştir ve normal pil çalışma koşullarında sıcaklık dağılımını simüle etmek için uygundur.Tipik olarak tek tip bir akım yoğunluğu varsayılır (küçük piller için güvenilir bir doğruluk), ancak büyük piller için hatalar vardır). Üç boyutlu bir ısı transferi modeli ile birleştirilen sahte iki boyutlu bir elektrokimyasal model,Elektrokimyasal reaksiyonlar gibi ısı kaynaklarını göz önünde bulundurarak, kutuplaşma süreçleri ve ohmik kayıplar, deneysel ve kızılötesi test sonuçlarına uygun olan 10 A∙h lityum demir fosfat torba bataryası için simülasyon sonuçları verdi.Modelin etkinliğini doğrulamakAyrıca, batarya sıcaklığının 5C boşaltma sırasında 50°C'yi aştığı, soğutma önlemlerinin tasarlanmasını gerektirdiği tespit edildi.

LiMn2O4 pillerinin termal davranışını incelemek için tek boyutlu bir elektrokimyasal ve üç boyutlu bir termal eşleştirilmiş model oluşturuldu.Geri dönüştürülebilir ısı düşük boşaltma oranlarında önemsiz olmadığı tespit edildi.Elektrot kalınlığını ve aktif maddenin parçacık boyutunu azaltmak, pil sıcaklığını düşürebilir.Çeşitli boşaltma hızlarında termal özellikleri araştırmak için silindir koordinatlı ısı üretimi modeli kullanıldı.Simülasyon ve deney sonuçları, yüksek boşalma oranlarında Joule ısıtmasının ve düşük boşalma oranlarında entropi değişimi ısıtmasının üstün olduğunu doğrulayan iyi bir uyum gösterdi.

2.2 Elektrotermik Bağlantılı Model

Bu model, sıcaklık alanı dağılımını incelemek için pilin iç akım yoğunluğu dağılımını birleştirir, pil şeklinin, elektrotların,ve akım kolektorlarıŞu anda, çoğu model iki boyutlu veya üç boyutlu katmanlı olmayan modeller kullanır ve doğrulukta hala gelişme alanı vardır.LiMn2O4 ve Li[NiCoMn]O2 polimer pillerini incelemek için iki boyutlu bir elektrotermik koplama modeli kullanıldıElektrot yapısının ve boşaltma/şarj hızının potansiyel, akım yoğunluğu ve ısı üretimi hızı üzerindeki etkileri analiz edildi.Simülasyon sonuçları deneysel verilerle iyi bir uyum gösterdi, soğutma stratejilerinin optimize edilmesine destek sağlıyor.

14.6 A∙h LiMn2O4/C bataryası için, düşük sıcaklıkta boşaltma davranışını analiz etmek için bir elektrotermik çiftleme modeli oluşturuldu.Düşük sıcaklıklarda (-20°C~0°C) simülasyon sonuçları deney sonuçlarıyla tutarlı hale getirilmiştir.Batarya termal yönetimi için bir referans sağlayan farklı güç seviyelerinde sıcaklık dağılımını elde etmek için sabit güç şarj-şarj simülasyonları gerçekleştirildi.

2.3 Isı kötüye kullanımı modeli

Termal istismar modeli, batarya termal güvenliğini incelemek için kullanıldı ve termal istismar altında termal kaçışın oluşumunu ve gelişimini simüle etmek için iç egzotermik reaksiyonları birleştirdi.Kötü kullanım testi ve simülasyon literatürünün bir incelemesi yapıldı, ve sıcak kutu, kısa devre, aşırı şarj ve iğne penetrasyonu gibi kötü kullanım koşulları altında termal modeller oluşturmak için birden fazla egzotermik reaksiyon seçildi.Termal kaçışta fluorlu bağlayıcıların rolü analiz edildi, ve etkilerinin nispeten küçük olduğu tespit edildi.

Bir boyutlu termal kullanım modelinin, pil bileşenlerinin şekli, boyutu ve malzeme sıcaklık dağılımını göz önünde bulundurarak üç boyutlu bir modele yükseltilmesi,Ve fırın deneyleri daha küçük pillerin ısıyı daha hızlı dağıttığını ve ısı kaçışına daha az eğilimli olduğunu ortaya çıkardı.- Elektrokimyasal kontrol denklemleri ve termal istismar denklemleri yoluyla tırnak penetrasyon deneyinin sayısal simülasyon modeli,Tırnak penetrasyon sürecinde sıcaklık değişiklikleri ve termal kaçışın başlangıcını doğru bir şekilde tahmin eder, deneysel sonuçlarla tutarlı, böylece zaman alıcı ve pahalı tırnak penetrasyon deneyleri sorununu çözüyor.

3Sonuç ve Görünümler

Lityum-iyon piller, mükemmel performansları nedeniyle tüketici elektroniği, güç ve enerji depolamasında yaygın olarak kullanılır, ancak termal güvenlik sorunları yaygın olarak benimsenmelerini engeller.Isı kaçışının temel nedeni anormal ısıyı zamanında yok etme yeteneği olmamasıdır., ısı birikimine ve ani bir sıcaklık artışına yol açar. Hem deneysel yöntemler hem de model simülasyon yöntemleri termal sorunları incelemek için kilit araçlardır.Her birinin avantajları ve dezavantajları var.: deneysel yöntemler gerçek dünya koşullarında sıcaklık üretimi verilerini doğru bir şekilde elde edebilir, ancak süreç karmaşık, zaman alıcı ve pahalıdır;Model simülasyon yöntemleri basit ve kısa döngüye sahiptir, ama bazı hataları var ve gerçeklikten sapmış olabilir.

Gelecekteki araştırmalar bu iki yaklaşımı organik bir şekilde birleştirmelidir: deney tasarımına rehberlik etmek için simülasyon sonuçlarını kullanmak, deney döngülerini kısaltmak ve bütçeleri azaltmak;ve deneysel verileri kullanarak simülasyon modellerini doğrulamak ve gözden geçirmekBu sinerji sayesinde, lityum iyonlu pillerin termal özelliklerini daha derinden inceleyebilir, termal yönetim çözümlerini optimize edebilir ve güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli, güvenli.verimli, ve lityum iyonlu pillerin büyük ölçekli uygulanması.