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锂离子单体电池仿真热分析

   次浏览   动力电池热失控技术研究   2021-05-27

导语

锂离子电池被认为是最重要的储能技术之一。锂离子电池因其低成本、高性能、大功率、绿环境等诸多优势,现已成为新能源的典型代表,广泛应用于3C数码产品、移动电源以及电动汽车等领域。随着锂离子电池的不断推广,锂离子电池的安全性越来越受到人们的关注,由于电池本身技术原因或是使用不当等问题都可能会造成锂离子电池爆炸,引起火灾等安全事故。

本文主要对18650型号的锂离子电池进行仿真热分析,分析过程使用了用户子程序DFLUX进行电池热源的设置。

01

锂离子电池因其低成本、高性能、大功率、绿环境等诸多优势,现已成为新能源的典型代表,广泛应用于3C数码产品、移动电源以及电动汽车等领域。

随着锂离子电池的不断推广,锂离子电池的安全性越来越受到人们的关注,由于电池本身技术原因或是使用不当等问题都可能会造成锂离子电池爆炸,引起火灾等安全事故。尤其近几年以电动汽车为主的电动交通工具市场对锂离子电池的需求不断加大,在发展大功率锂离子电池体系过程中,电池安全问题引起了广泛重视,存在的问题急需进一步解决。

锂离子电池热失控过程

近几年出现的电池热失控引起的火灾的案例中,都是由于电池的生热速率远高于散热速率,且热量大量累积而未及时散发出去所引起的。从本质上而言,“热失控”是一个能量正反馈循环过程:升高的温度会导致系统变热,系统变热后温度升高,又反过来让系统变得更热。

锂离子单体电池仿真热分析

图1-锂离子电池热失控过程图


第1阶段:电池内部热失控阶段

电池在80~90℃时是安全的,温度升高到90~120℃之间时 SEI 膜开始分解,释放热量,温度升高。但是当温度达到120~130℃时保护层SEI膜遭到破坏,负极与溶剂、粘结剂反应,温度升高,隔膜融化关闭。温度继续升高至150℃之上后,内部电解质开始进行分解,继续释放热量,进一步加热电池。

第2阶段:电池鼓包阶段

电池温度达到200℃之上时,正极材料分解,释放出大量热和气体,持续升温。250-350℃嵌锂态负极开始与电解液发生反应。


第3 阶段:电池热失控,爆炸失效阶段

在反应发生过程中,电解液与正极反应产生的氧气剧烈反应并进一步使电池发生热失控。

锂离子电池热失控成因

其实一般电池内短路在电子产品中出现的概率是千万分之一,也就是说平时生活中用到的单个电池安全性相对较高。但是在电动汽车中,一辆电动汽车的电池组需要几千个电池组成,这样发生热失控的概率就由千万分之一上升到千分之一。而且电动汽车的电池一旦发生危险,后果将非常严重,研究电池热失控的成因变得尤为重要。

1生产过程

锂离子单体电池仿真热分析

图2-电池生产过程

①正极材料

正极材料的安全性能主要包括过充安全性和热稳定性,在氧化状态下,正极材料发生放热分解反应,并释放氧气。

②负极材料

负极材料虽然比较稳定,但嵌锂状态下的碳负极在高温下会首先与电解液发生反应。

③电解液

电解液包括无机导电剂和有机溶剂,而有机溶剂的易燃特性本身就会对电池的安全性能造成一定的影响。

④生产工艺

电池的生产工艺非常复杂,即使进行严格控制,也不能完全避免生产过程中的金属杂质或毛刺。若电池内部出现杂质、毛刺或枝晶,经过放大和恶化导致电导率升高,温度上升,化学反应和放电发热所产生的热量不断累积,最终可能造成电池的热失控。

02

一、问题描述

单只18650圆柱锂离子电池在23℃环境下,以2A的恒定电流放电100s,求解整只电池的温度分布。

二、问题分析

求取电池的温度分布,我们需要建立电池的几何模型、材料模型和边界条件。18650圆柱锂离子电池几何模型很容易建立,材料模型可通过前人的文献获取。

锂离子单体电池仿真热分析

三、Abaqus的建模分析

1)建立几何模型

直径18mm,长度65mm,建立模型使用m单位,并创建圆柱坐标系,结果如下:

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2)建立材料属性

材料属性参数如上所示,结果如下图

锂离子单体电池仿真热分析

创建界面属性并赋给几何体。

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点击

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(Assign Material Orientation)设定材料方向,选择结合体,点击鼠标中键,选择创建的圆柱坐标系,完成材料方向的设定。

3)创建装配体。

4)创建热传导分析步

建立热传导分析步,时长为3600s。

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步长为60s。

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5)设定表面热对流条件

侧面

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顶面底面

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6)创建边界条件及载荷

创建体热流(body heat flux),采用用户自定义的

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创建初始预定义温度场

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创建用户子程序dflux.for,内容如下

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7)划分网格,,单元类型为DC3D8, 网格划分结果如下

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8)创建分析任务

在General 下user subroutine file下选择创建的用户子程序。

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9)提交任务,并进行后处理,查看温度分布结果。

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