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锂离子电池热失控仿真研究进展

来源:广州启灏机电工程有限公司发布时间:2022-09-28 09:33阅读:原标题:锂离子电池热失控仿真研究进展

锂离子电池作为常见的储能和动力装置在生产生活中得到了广泛应用,但其在滥用条件下会引发热失控,对其安全性的研究很有必要。热失控仿真因其独有的优势,成为研究锂离子电池热失控的重要手段。本文通过对近期文献的研究,从热失控仿真、热蔓延仿真以及热失控仿真的应用三个方面对热失控仿真的研究现状进行了总结。着重介绍了不同诱因(热滥用、机械滥用和电滥用)导致热失控的产热机理和仿真方法,电池组内热蔓延仿真的研究现状和如何抑制热蔓延以及对热失控预测方法的研究。当前的热失控模型已经具有较好的精确度,可以模拟出电池发生热失控时主要的放热副反应,但电池内部十分复杂,混合了化学反应和物理变化,相关参数难以测量和计算,因此锂离子电池热失控仿真还需进一步研究。

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随着化石燃料资源枯竭和环境保护意识的加强,新能源在生产生活中扮演着重要的角色,电池作为常用的储能和动力装置,得到了长足的发展。锂离子电池因其能量密度高、使用寿命长、无记忆效应、可快速充放电等优点被广泛使用。但锂离子电池高温下内部材料不稳定,会引发热失控,热失控的主要原因有热滥用(高温)、电滥用(过充和过放等)和机械滥用(针刺、挤压等),条件滥用会触发电池内部的副反应,导致温度升高直至热失控。

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对锂离子电池热失控的研究通常有仿真和实验两种方法,与实验方法相比,仿真可以节省大量人力物力,尤其对于大型电池和电池组,电池内部的温度难以获取,通过仿真就可以了解电池内外的温度差异;仿真可以获得实验难以测得的电池内部物质变化,更进一步的从物质层面剖析电池发生热失控时的反应机理,预测热失控的发展规律。

当前对锂离子电池进行热仿真主要有纯热模型、电-热耦合模型和电化学-热耦合模型。纯热模型只考虑电池的产热和放热,1998年Hallaj等首先使用此方法对索尼18650电池进行建模,计算简单但没有考虑电池的电化学和电特性。电-热耦合模型结合了电池等效模型和内部产热描述电池的热行为,2006年Kwon等结合Bernardi产热模型建立了电池的电-热耦合模型,同样没有考虑电化学反应。电化学-热耦合模型基于1962年Newman等提出的多孔电极理论计算化学产热,将电化学模型和传热模型耦合起来计算电池的温度场,具有更高的准确性但参数较多,计算复杂。对锂离子电池热失控进行仿真通常使用热滥用模型,热滥用模型是在电池热模型的基础上,定义电池发生热失控时主要的4种副反应作为热源,预测电池在热失控下的温度分布。热滥用模型按维度不同可分为集总模型、一维模型、二维模型和三维模型,集总模型将电池参数集中到一点,计算量小但只能得到电池的平均温度;一维模型将电池简化为一条直线,假定电池每个方向结构单一均匀,预测该方向的温度分布,可以表征圆柱电池径向的温度分布;二维模型研究电池在某一截面上的温度分布,可以用于圆柱电池径向和轴向截面的仿真;与集总、一维和二维模型相比,三维模型可以表征电池在空间上的温度分布,但计算量较大。本文从热失控仿真、热蔓延仿真以及热失控仿真的应用三个方面阐述了锂离子电池热失控仿真的发展现状,对当前研究进行分析和总结,指出了当前存在的问题和未来的发展方向。

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