一种热电耦合模型实现对三种商用锂离子电池内部温度分布的预测

 简 介 

锂离子电池已经商业化三十年，但其安全问题依然困扰着人们。电池的爆炸通常是由于在大电流充放电，电池内部温度急剧升高，积热超过阈值导致的。高能量密度的三元材料电池比磷酸铁锂电池具有更大的安全隐患。单个电池的循环发热量会影响整个电池组。但是直接测量电池内部在不同电流密度下的温度分布依然是极具挑战性的工作，因此使用模拟方法准确预测电芯内部在不同充放电流的密度具有重要意义。近期，清华大学国际研究生院康飞宇教授团队发表题为题为Full-cycle electrochemical-thermal coupling analysis for commercial lithium-ion batteries的文章，此文章基于电池的电化学行为，使用单粒子模型，建立了一维电化学和二维传热的电化学-热耦合模型，准确的计算出14650,18640，26650三种柱状商用锂离子电池(正极为三元材料，负极为石墨)的表面温度，并预测电池内部的温度分布。

要点简析

要点一：模型的建立

本模拟是在COMSOL Multiphysics软件中完成的，一维的电化学模型包括电池的正负极材料和电解液及隔膜，因集流体未参与化学反应故没有考虑在内；二维的导热模型里包含集流体，因其参与了热传导的过程。

要点二：电池表面温度的实验测试

为了验证模型的正确性，使用热电偶测试了柱状电池表面的温度，测试系统如下图所示。

要点三：电池表面温度实验值和模拟值的对比

下图展示了18650电池在不通充放电电流下充放电曲线和温度的模拟值和实验值的对比，表现出较好的一致性。可以发现在充电结束时，电池的电压达到最高，温度也达到最高，且在充电末端，温度的上升速率也急剧的增大。随着充放电电流的增长，其最高温度也急剧的增大。

要点四：不同充放电电流下电池内部温度的温度预测

使用此模型计算出放电结束时，即电池温度最高时，电池内部的温度分布。如下，在3C时，电池内外温度差大约是1 ℃，且电池内部最高温度的位置为在电池的卷绕部分和芯轴的接触面上。

原文信息

文章题目：Full-cycle electrochemical-thermal coupling analysis for commercial lithium-ion batteries. 

DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2020.116258

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359431120337376