Nghiên cứu thực nghiệm về các vấn đề nhiệt của pin Lithium-ion

Các đặc điểm nhiệt của pin lithium-ion ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất ứng dụng của chúng (năng lượng, kháng cự bên trong, công suất, v.v.) và an toàn nhiệt,là mối quan tâm chính của người tiêu dùngĐể hướng dẫn các chiến lược thiết kế và sử dụng pin và đảm bảo ứng dụng an toàn và hiệu quả của chúng, nghiên cứu chuyên sâu về đặc tính nhiệt trong các điều kiện hoạt động khác nhau là rất quan trọng.Bài báo này tổng hợp và phân tích toàn diện tiến bộ nghiên cứu về các vấn đề nhiệt pin lithium-ion từ cả quan điểm thử nghiệm và mô hình mô phỏng, chỉ ra những lợi thế và nhược điểm của hai phương pháp và đề xuất các đề xuất cho nghiên cứu trong tương lai kết hợp cả hai phương pháp.

Hiện nay, các pin sạc lại thường được sử dụng bao gồm pin axit chì, pin niken-cadmium, pin niken-kim loại hydride và pin lithium-ion.pin lithium-ion được sử dụng rộng rãi trong thiết bị điện tử tiêu dùng, pin điện, và lưu trữ năng lượng do những lợi thế của chúng như tuổi thọ chu kỳ dài, hiệu quả sạc-thả cao, năng lượng riêng cao và không ô nhiễm.tai nạn an toàn thường xuyên như hỏa hoạn và nổ của pin lithium-ion đã làm cho rủi ro an toàn nhiệt trở thành một nút thắt cho sự phát triển tiếp theo của chúngTải quá tải và quá tải pin lithium-ion có thể dễ dàng khiến các dendrit xâm nhập vào bộ tách, dẫn đến mạch ngắn,hoặc gây ra mạch ngắn bên trong do nén hoặc đâm, cả hai dẫn đến một sự tích lũy lớn của nhiệt, một sự gia tăng nhanh chóng của nhiệt độ, và cuối cùng thoát nhiệt. do đó, nghiên cứu đặc điểm nhiệt pin và an toàn nhiệt,tối ưu hóa thiết kế pin, ước tính thay đổi nhiệt độ bên trong và phát triển các hệ thống quản lý nhiệt rất quan trọng để đảm bảo hoạt động an toàn và đáng tin cậy của pin, kéo dài tuổi thọ của chúng,và tránh tai nạn thoát nhiệtHiện nay, nghiên cứu về các vấn đề nhiệt pin lithium-ion chủ yếu được chia thành hai loại: nghiên cứu thực nghiệm và mô hình mô phỏng.

1Nghiên cứu thử nghiệm về sản xuất nhiệt trong pin lithium-ion

Các phương pháp thử nghiệm là phương tiện cốt lõi để nghiên cứu việc tạo nhiệt của pin lithium-ion.Chúng chủ yếu sử dụng thiết bị đo nhiệt để theo dõi đặc điểm nhiệt của pin trong điều kiện hoạt động cụ thể, thu thập chính xác dữ liệu sản xuất nhiệt để cung cấp hỗ trợ cơ bản cho nghiên cứu tiếp theo.

1.1 Nghiên cứu thử nghiệm sử dụng thiết bị đo nhiệt kết hợp

Hiện nay, thiết bị cốt lõi cho các thí nghiệm tạo nhiệt pin lithium-ion là nhiệt kế tăng tốc (ARC) và nhiệt kế đồng nhiệt (IBC).ARC được sử dụng để kiểm tra hành vi ngoại nhiệt và an toàn của pin và các thành phần trong điều kiện gần như adiabatic, và có thể thực hiện các thử nghiệm như ổn định nhiệt, tính chất nhiệt vật liệu, công suất nhiệt cụ thể, hình ảnh thoát nhiệt, và các thử nghiệm thâm nhập kim / ép / quá tải.IBC duy trì nhiệt độ pin ổn định thông qua một hệ thống làm mát, đo chính xác sự trao đổi nhiệt giữa pin và môi trường bên ngoài trong điều kiện hoạt động bình thường và trong phạm vi nhiệt độ điển hình.Nghiên cứu hiện tại thường kết hợp đo nhiệt với các phương pháp thử nghiệm điện hóa để khám phá mối quan hệ nội tại giữa sản xuất nhiệt và hành vi điện hóa.

Sử dụng 18650 pin lithium-ion hình trụ như đối tượng nghiên cứu, một calorimeter và một pin đa kênh đã được sử dụng để phân tích tác động của nhiệt độ hoạt động (35 °C, 45 °C,55°C) và tốc độ sạc/thả (C/3Các kết quả cho thấy pin liên tục giải phóng nhiệt trong quá trình xảvà ban đầu hấp thụ nhiệt sau đó giải phóng trong quá trình sạc (nhiệt độ phản ứng ban đầu chiếm ưu thế, sau đó nhiệt Joule thống trị). Hơn nữa, tốc độ xả có tác động đáng kể đến hiệu ứng ngoại nhiệt, trong khi nhiệt độ xung quanh có tác động nhỏ.ba pin hình trụ 18650 của ba nhà sản xuất khác nhau đã được chọn để nghiên cứu tác động của tốc độ sạc/thả lên nhiệt độ tăng và tốc độ tạo nhiệt ở 35 °C, xác minh ảnh hưởng đáng kể của tỷ lệ giải phóng, phù hợp với nghiên cứu trước đây.

Sử dụng pin lithium sắt phosphate 20 A∙h như đối tượng nghiên cứu,một calorimeter isothermal / adiabatic và một bộ kiểm tra xả điện tích đã được sử dụng để phân tích có hệ thống các tác động của tốc độ xả điện tích (0.5C ~ 2C), nhiệt độ xung quanh (-10 °C ~ 40 °C) và trạng thái sạc (0 ~ 70%) về đặc điểm nhiệt.trạng thái sạc càng nhỏ, và nhiệt độ xung quanh càng thấp, công suất sản xuất nhiệt và tốc độ thay đổi nhiệt độ của pin càng cao.mức tăng nhiệt độ càng đáng kểTình trạng sạc chỉ ảnh hưởng đến tốc độ thay đổi nhiệt độ trong giai đoạn xả; nhiệt độ ban đầu càng cao, nhiệt độ tăng càng thấp.Điều này cung cấp hỗ trợ dữ liệu để chọn điều kiện hoạt động pin.

1.2 Tính toán lý thuyết để hỗ trợ phân tích thí nghiệm

Phương pháp tính toán lý thuyết dựa trên nguyên tắc tạo nhiệt. Bằng cách đo các thông số chính như quá tiềm năng, hệ số entropy và kháng cự bên trong,và kết hợp chúng với công thứcTrong quá trình sạc-thả bình thường, nhiệt từ các phản ứng bên cạnh và quá trình trộn có thể bị bỏ qua.Tỷ lệ sản xuất nhiệt có thể được tính bằng cách sử dụng mô hình đơn giản BernardiYêu cầu cốt lõi là xác định kháng cự bên trong của pin (Rin) và hệ số entropy (dU / dT).và lão hóa, với các mô hình rõ ràng, nhưng có sự khác biệt do sự khác biệt trong vật liệu pin và quy trình sản xuất.

Hai pin hình trụ 18650 đã được chọn và sức đề kháng của chúng dưới các trạng thái sạc khác nhau đã được thử nghiệm bằng bốn phương pháp.Phương pháp đường cong đặc trưng V-I cho kết quả phù hợp với và cao hơn phương pháp khác biệt điện áp hoạt động điện áp mạch mởĐồng thời, thay đổi entropy được thử nghiệm bằng cả hai phương pháp, cho thấy sự đồng thuận dữ liệu cao.kết hợp với dữ liệu thay đổi kháng và entropy, phần lớn phù hợp với kết quả thử nghiệm, xác minh tính khả thi của phương pháp tính toán.

2Phát triển mô hình nhiệt pin lithium-ion

Với sự phát triển của công nghệ máy tính, mô hình mô phỏng đã trở thành một công cụ quan trọng để nghiên cứu các vấn đề nhiệt của pin lithium-ion.Các mô hình có thể được phân loại thành các mô hình khối lượng tập hợp và mô hình một đến ba chiều; dựa trên cơ chế, chúng có thể được phân loại thành các mô hình ghép nhiệt điện hóa học, mô hình ghép nhiệt điện và mô hình lạm dụng nhiệt.Mỗi mô hình giải quyết các vấn đề nhiệt trong các kịch bản khác nhau.

2.1 Mô hình nối điện hóa-năng lượng

Mô hình này được xây dựng theo quan điểm sản xuất nhiệt từ các phản ứng điện hóa và phù hợp để mô phỏng sự phân bố nhiệt độ trong điều kiện hoạt động bình thường của pin.Nó thường giả định mật độ dòng đồng nhất (chính xác đáng tin cậy cho pin nhỏMột mô hình điện hóa hai chiều giả kết hợp với một mô hình chuyển nhiệt ba chiều,xem xét các nguồn nhiệt như phản ứng điện hóa, quá trình phân cực và tổn thất ohmic, cho kết quả mô phỏng cho pin lithium sắt phosphate túi 10 A∙h phù hợp với kết quả thử nghiệm và thử nghiệm hồng ngoại,xác nhận hiệu quả của mô hìnhNó cũng được tìm thấy rằng nhiệt độ pin vượt quá 50 ° C trong khi xả 5C, cần thiết phải thiết kế các biện pháp làm mát.

Một mô hình kết nối nhiệt điện hóa học một chiều và ba chiều đã được thiết lập để nghiên cứu hành vi nhiệt của pin LiMn2O4.Nó được tìm thấy rằng nhiệt có thể đảo ngược không phải là không đáng kể ở tốc độ thải thấp, trong khi nhiệt ohmic thống trị ở tốc độ xả cao. Giảm độ dày điện cực và kích thước hạt vật liệu hoạt động có thể làm giảm nhiệt độ pin. Đối với pin hình trụ 18650,một mô hình tạo nhiệt phối hợp hình trụ đã được sử dụng để khám phá các đặc điểm nhiệt ở các tốc độ xả khác nhauCác kết quả mô phỏng và thí nghiệm cho thấy sự đồng thuận tốt, xác nhận rằng nhiệt Joule chiếm ưu thế ở tốc độ xả cao và nhiệt thay đổi entropy chiếm ưu thế ở tốc độ xả thấp.

2.2 Mô hình kết nối điện nhiệt

Mô hình này kết hợp sự phân bố mật độ dòng điện bên trong của pin để nghiên cứu sự phân bố trường nhiệt độ, hướng dẫn thiết kế và nghiên cứu tính nhất quán của hình dạng pin, điện cực,và các bộ sưu tập hiện tạiHiện nay, hầu hết các mô hình sử dụng mô hình hai chiều hoặc ba chiều không lớp, và vẫn còn chỗ để cải thiện độ chính xác.Một mô hình nối điện nhiệt hai chiều đã được sử dụng để nghiên cứu pin polyme LiMn2O4 và Li[NiCoMn]O2Các tác động của cấu trúc điện cực và tốc độ xả / sạc đối với tiềm năng, mật độ dòng và tốc độ tạo nhiệt đã được phân tích.Kết quả mô phỏng cho thấy sự đồng ý tốt với dữ liệu thí nghiệm, hỗ trợ tối ưu hóa các chiến lược làm mát.

Đối với pin 14,6 A∙h LiMn2O4/C, một mô hình kết nối điện nhiệt đã được thiết lập để phân tích hành vi xả nhiệt độ thấp.Kết quả mô phỏng ở nhiệt độ thấp (-20 °C ~ 0 °C) phù hợp với kết quả thí nghiệmCác mô phỏng sạc-tháo điện năng lượng liên tục đã được thực hiện để có được sự phân bố nhiệt độ dưới các mức năng lượng khác nhau, cung cấp một tham chiếu cho quản lý nhiệt pin.

2.3 Mô hình lạm dụng nhiệt

Mô hình lạm dụng nhiệt đã được sử dụng để nghiên cứu an toàn nhiệt pin, kết hợp các phản ứng ngoại nhiệt nội bộ để mô phỏng sự xuất hiện và phát triển của sự thoát nhiệt dưới sự lạm dụng nhiệt.Một đánh giá về kiểm tra lạm dụng và văn học mô phỏng đã được thực hiện, và nhiều phản ứng ngoại nhiệt đã được chọn để thiết lập các mô hình nhiệt trong điều kiện lạm dụng như hộp nóng, mạch ngắn, sạc quá mức và thâm nhập kim.Vai trò của các chất kết nối fluor trong thoát nhiệt đã được phân tích, và ảnh hưởng của họ được tìm thấy tương đối nhỏ.

nâng cấp mô hình lạm dụng nhiệt một chiều lên mô hình ba chiều, xem xét hình dạng, kích thước và phân bố nhiệt độ vật liệu của các thành phần pin,và thí nghiệm mô phỏng lò cho thấy pin nhỏ hơn phân tán nhiệt nhanh hơn và ít dễ bị thoát nhiệtMột mô hình mô phỏng số của thí nghiệm thâm nhập móng tay, thông qua phương trình điều khiển điện hóa học và phương trình lạm dụng nhiệt,dự đoán chính xác sự thay đổi nhiệt độ và sự khởi đầu của thoát nhiệt trong quá trình thâm nhập móng tay, phù hợp với kết quả thí nghiệm, do đó giải quyết vấn đề của các thí nghiệm thâm nhập móng tốn thời gian và tốn kém.

3Kết luận và triển vọng

Pin lithium-ion, do hiệu suất tuyệt vời của chúng, được sử dụng rộng rãi trong điện tử tiêu dùng, điện và lưu trữ năng lượng, nhưng các vấn đề an toàn nhiệt cản trở việc áp dụng rộng rãi.Lý do chính của sự thoát nhiệt là không thể tiêu tan nhiệt bất thường trong thời gian thích hợp, dẫn đến tích lũy nhiệt và tăng nhiệt độ đột ngột. Cả phương pháp thử nghiệm và phương pháp mô hình mô phỏng là các công cụ chính để nghiên cứu các vấn đề nhiệt,mỗi với những lợi thế và nhược điểm của nó: phương pháp thử nghiệm có thể lấy chính xác dữ liệu sản xuất nhiệt trong điều kiện thực tế, nhưng quá trình này phức tạp, tốn thời gian và tốn kém;Các phương pháp mô hình mô phỏng đơn giản và có chu kỳ ngắn, nhưng chúng có một số lỗi và có thể lệch khỏi thực tế.

Nghiên cứu trong tương lai nên kết hợp cơ bản hai cách tiếp cận này: sử dụng kết quả mô phỏng để hướng dẫn thiết kế thí nghiệm, rút ngắn chu kỳ thí nghiệm và giảm ngân sách;và sử dụng dữ liệu thí nghiệm để xác minh và sửa đổi mô hình mô phỏngThông qua sự phối hợp này, chúng ta có thể tìm hiểu sâu hơn về đặc tính nhiệt của pin lithium-ion, tối ưu hóa các giải pháp quản lý nhiệt và thúc đẩy an toàn,hiệu quả, và ứng dụng quy mô lớn của pin lithium-ion.