鋰離子電池作為常見(jiàn)的儲(chǔ)能和動(dòng)力裝置在生產(chǎn)生活中得到了廣泛應(yīng)用,但其在濫用條件下會(huì)引發(fā)熱失控,對(duì)其安全性的研究很有必要。熱失控仿真因其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì),成為研究鋰離子電池?zé)崾Э氐闹匾侄巍1疚耐ㄟ^(guò)對(duì)近期文獻(xiàn)的研究,從熱失控仿真、熱蔓延仿真以及熱失控仿真的應(yīng)用三個(gè)方面對(duì)熱失控仿真的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)。著重介紹了不同誘因(熱濫用、機(jī)械濫用和電濫用)導(dǎo)致熱失控的產(chǎn)熱機(jī)理和仿真方法,電池組內(nèi)熱蔓延仿真的研究現(xiàn)狀和如何抑制熱蔓延以及對(duì)熱失控預(yù)測(cè)方法的研究。當(dāng)前的熱失控模型已經(jīng)具有較好的精確度,可以模擬出電池發(fā)生熱失控時(shí)主要的放熱副反應(yīng),但電池內(nèi)部十分復(fù)雜,混合了化學(xué)反應(yīng)和物理變化,相關(guān)參數(shù)難以測(cè)量和計(jì)算,因此鋰離子電池?zé)崾Э胤抡孢€需進(jìn)一步研究。
(本文來(lái)源:微信公眾號(hào)“儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)”ID:esst2012)
隨著化石燃料資源枯竭和環(huán)境保護(hù)意識(shí)的加強(qiáng),新能源在生產(chǎn)生活中扮演著重要的角色,電池作為常用的儲(chǔ)能和動(dòng)力裝置,得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。鋰離子電池因其能量密度高、使用壽命長(zhǎng)、無(wú)記憶效應(yīng)、可快速充放電等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用。但鋰離子電池高溫下內(nèi)部材料不穩(wěn)定,會(huì)引發(fā)熱失控,熱失控的主要原因有熱濫用(高溫)、電濫用(過(guò)充和過(guò)放等)和機(jī)械濫用(針刺、擠壓等),條件濫用會(huì)觸發(fā)電池內(nèi)部的副反應(yīng),導(dǎo)致溫度升高直至熱失控。
對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э氐难芯客ǔS蟹抡婧蛯?shí)驗(yàn)兩種方法,與實(shí)驗(yàn)方法相比,仿真可以節(jié)省大量人力物力,尤其對(duì)于大型電池和電池組,電池內(nèi)部的溫度難以獲取,通過(guò)仿真就可以了解電池內(nèi)外的溫度差異;仿真可以獲得實(shí)驗(yàn)難以測(cè)得的電池內(nèi)部物質(zhì)變化,更進(jìn)一步的從物質(zhì)層面剖析電池發(fā)生熱失控時(shí)的反應(yīng)機(jī)理,預(yù)測(cè)熱失控的發(fā)展規(guī)律。
當(dāng)前對(duì)鋰離子電池進(jìn)行熱仿真主要有純熱模型、電-熱耦合模型和電化學(xué)-熱耦合模型。純熱模型只考慮電池的產(chǎn)熱和放熱,1998年Hallaj等首先使用此方法對(duì)索尼18650電池進(jìn)行建模,計(jì)算簡(jiǎn)單但沒(méi)有考慮電池的電化學(xué)和電特性。電-熱耦合模型結(jié)合了電池等效模型和內(nèi)部產(chǎn)熱描述電池的熱行為,2006年Kwon等結(jié)合Bernardi產(chǎn)熱模型建立了電池的電-熱耦合模型,同樣沒(méi)有考慮電化學(xué)反應(yīng)。電化學(xué)-熱耦合模型基于1962年Newman等提出的多孔電極理論計(jì)算化學(xué)產(chǎn)熱,將電化學(xué)模型和傳熱模型耦合起來(lái)計(jì)算電池的溫度場(chǎng),具有更高的準(zhǔn)確性但參數(shù)較多,計(jì)算復(fù)雜。對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э剡M(jìn)行仿真通常使用熱濫用模型,熱濫用模型是在電池?zé)崮P偷幕A(chǔ)上,定義電池發(fā)生熱失控時(shí)主要的4種副反應(yīng)作為熱源,預(yù)測(cè)電池在熱失控下的溫度分布。熱濫用模型按維度不同可分為集總模型、一維模型、二維模型和三維模型,集總模型將電池參數(shù)集中到一點(diǎn),計(jì)算量小但只能得到電池的平均溫度;一維模型將電池簡(jiǎn)化為一條直線,假定電池每個(gè)方向結(jié)構(gòu)單一均勻,預(yù)測(cè)該方向的溫度分布,可以表征圓柱電池徑向的溫度分布;二維模型研究電池在某一截面上的溫度分布,可以用于圓柱電池徑向和軸向截面的仿真;與集總、一維和二維模型相比,三維模型可以表征電池在空間上的溫度分布,但計(jì)算量較大。本文從熱失控仿真、熱蔓延仿真以及熱失控仿真的應(yīng)用三個(gè)方面闡述了鋰離子電池?zé)崾Э胤抡娴陌l(fā)展現(xiàn)狀,對(duì)當(dāng)前研究進(jìn)行分析和總結(jié),指出了當(dāng)前存在的問(wèn)題和未來(lái)的發(fā)展方向。
1 熱失控仿真
1.1 熱濫用仿真
電池的熱濫用即電池在高溫條件下使用,高溫?zé)嵩从协h(huán)境熱和接觸熱兩種。電池受到高溫影響時(shí),SEI膜分解并放熱,隔膜融化引發(fā)電池的內(nèi)短路,電池溫度升高引發(fā)正負(fù)極與電解質(zhì)的反應(yīng)并觸發(fā)熱失控,隨后電解質(zhì)發(fā)生分解反應(yīng),使電池溫度迅速升高。
對(duì)高溫環(huán)境引發(fā)的熱失控進(jìn)行仿真通常用烘箱模型,即在熱濫用模型的基礎(chǔ)上,設(shè)置傳熱場(chǎng)溫度來(lái)模擬電池在高溫環(huán)境下發(fā)生熱失控。王青松等建立了磷酸鐵鋰電池的烘箱模型,得到6種不同溫度下引發(fā)電池?zé)崾Э貢r(shí)電池的溫度變化(圖1)。結(jié)果表明溫度影響電池的熱失控,高溫可以使熱失控發(fā)生得更加迅速和劇烈。黃文才等建立了方形鋰電池三維分層烘箱模型,發(fā)現(xiàn)較高的對(duì)流傳熱系數(shù)和初始溫度會(huì)使電池更快地進(jìn)入熱失控。但該模型中的電池層數(shù)較少,并未體現(xiàn)出實(shí)際電池卷繞的情況和熱量在不同層之間的傳播情況。趙磊和寧凡雨等利用熱失控模型研究了NCM111、NCM523、NCM622、NCM811電池的0.1 C充放電曲線和溫度-升溫速率曲線(圖2)。發(fā)現(xiàn)高Ni正極材料有助于電池儲(chǔ)存更多能量,但加劇了電池的不穩(wěn)定性,電池更易發(fā)生熱失控且放熱更加劇烈。但文獻(xiàn)中建立的電池一維模型只能計(jì)算電池某一方向上的熱行為,不具備空間表現(xiàn)能力,可以用來(lái)模擬圓柱電池軸向或徑向的溫度分布。
對(duì)局部熱源接觸進(jìn)行模擬仿真時(shí),是通過(guò)在電池表面某位置定義點(diǎn)熱源模擬電池因接觸熱引發(fā)的熱失控。Kriston等建立了鋰離子電池?zé)釣E用集總模型,通過(guò)表面熱源和內(nèi)短路觸發(fā)熱失控。研究發(fā)現(xiàn),影響熱失控劇烈程度的主要原因是觸發(fā)能量和短路電阻,電池自產(chǎn)熱主要來(lái)源于正極和電解質(zhì)的反應(yīng)以及電解質(zhì)自身的分解反應(yīng)。徐曉明等建立了方型鋰電池的局部熱源接觸模型,研究發(fā)現(xiàn)單個(gè)極耳加熱時(shí)電池未發(fā)生熱失控,同時(shí)加熱正負(fù)極極耳時(shí),電池發(fā)生了熱失控,并向電池其他區(qū)域蔓延。Xu等建立了圓柱電池的三維熱濫用模型,模擬局部高溫?zé)嵩从|發(fā)電池?zé)崾Э氐倪^(guò)程。研究發(fā)現(xiàn)隨著電池表面散熱系數(shù)的增大,電池溫升速率減慢,副反應(yīng)的產(chǎn)熱速率峰值延遲。提高正極材料的熱穩(wěn)定性可以提高正極與電解質(zhì)反應(yīng)發(fā)生的溫度,延緩熱失控的發(fā)生,但峰值溫度會(huì)變高。Tang等建立了熱濫用模型,用電池表面局部熱源觸發(fā)熱失控,通過(guò)對(duì)冷卻時(shí)間的分析,發(fā)現(xiàn)負(fù)極材料與電解質(zhì)的反應(yīng)是電池發(fā)生熱失控最主要的熱量來(lái)源,對(duì)電池負(fù)極散熱能有效抑制熱失控的發(fā)生。Hu等建立了具有分層結(jié)構(gòu)的熱濫用模型,卻得出了相反的結(jié)果,如圖3所示。通過(guò)局部熱源接觸引發(fā)電池的熱失控,觀察電池在不同散熱溫度下內(nèi)部各副反應(yīng)的變化情況。研究表明,熱失控的主要溫度來(lái)源是正極與電解液之間發(fā)生的副反應(yīng),對(duì)電池進(jìn)行冷卻可以改變熱失控發(fā)生的時(shí)間和溫度,但不能有效地抑制熱失控的發(fā)生。
當(dāng)前高溫?zé)崾Э啬P鸵殉蔀槌S玫匿囯x子電池模型。以上研究中,學(xué)者們通過(guò)建立電池的熱烘箱模型和局部熱源接觸模型,研究了溫度、散熱條件和正極材料等對(duì)電池?zé)崾Э氐挠绊懀诒WC結(jié)果精確度的情況下有效節(jié)省了實(shí)驗(yàn)成本。但以上研究中用到的電池模型各不相同,集總模型忽略了電池在空間上的溫度梯度,三維模型計(jì)算量大,且參數(shù)難以測(cè)量,使電池模型的建立更加困難。
1.2 機(jī)械濫用仿真
機(jī)械濫用也是引發(fā)電池?zé)崾Э氐某R?jiàn)誘因,鋰離子電池受到碰撞、擠壓等力學(xué)傷害時(shí)會(huì)產(chǎn)生形變,內(nèi)部隔膜破裂,正負(fù)極之間短接發(fā)生內(nèi)短路,放出大量的熱引發(fā)電池的熱失控。
針刺是常見(jiàn)的機(jī)械濫用形式,電池受到針刺時(shí),因刺針的侵入,在電池內(nèi)部形成了內(nèi)短路,主要有正負(fù)極活性材料、正極活性材料-負(fù)極集流體、負(fù)極活性材料-正極集流體、正負(fù)極集流體4種短路方式。當(dāng)前研究中對(duì)針刺引發(fā)的熱失控進(jìn)行仿真,通常是在電池的某一位置加個(gè)小電阻,模擬因刺針入侵部分導(dǎo)電觸發(fā)的內(nèi)短路,研究電池在不同針刺條件下的熱失控。Wang等建立了電池針刺內(nèi)短路的三維模型,仿真了不同的SOC和刺針直徑下電池的熱失控,發(fā)現(xiàn)鋼釘直徑不僅會(huì)影響電池的短路電流,同時(shí)也是電池的一個(gè)散熱途徑。未發(fā)生熱失控時(shí),鋼釘主要起散熱作用。發(fā)生熱失控時(shí),鋼釘附近因短路產(chǎn)生大量的熱。崔志仙以絕緣材料聚甲醛作為刺針,對(duì)電池進(jìn)行針刺內(nèi)短路模擬,研究表明絕緣材料引起的熱失控是由于正負(fù)極集流體產(chǎn)生變形和毛刺引起了內(nèi)短路,其熱失控過(guò)程較慢且不穩(wěn)定。當(dāng)前對(duì)針刺熱失控的仿真模型已經(jīng)可以較為準(zhǔn)確地反映電池發(fā)生熱失控時(shí)的熱行為,但模型需要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支撐,針刺部位的導(dǎo)電參數(shù)難以量化,模型通用性不強(qiáng)。
擠壓是另一種常見(jiàn)的機(jī)械濫用形式,電池受到擠壓時(shí)發(fā)生機(jī)械變形,隔膜破裂引發(fā)正負(fù)極之間的內(nèi)短路,最終引發(fā)熱失控。學(xué)者們對(duì)擠壓熱失控進(jìn)行仿真時(shí),通常需要與力學(xué)模型耦合,將力學(xué)的結(jié)構(gòu)失效和電池內(nèi)部的導(dǎo)電情況聯(lián)系起來(lái),在電池的某一區(qū)域設(shè)置小電阻,模擬隔膜破裂區(qū)域發(fā)生的短路。Wang等提出一種基于結(jié)構(gòu)損傷的機(jī)械-電化學(xué)-熱耦合模型,將力學(xué)模型計(jì)算的幾何變形與鋰離子電池相結(jié)合,通過(guò)內(nèi)短路模型計(jì)算發(fā)熱功率并反映到三維熱模型中。從力學(xué)角度解釋了圓柱型鋰離子電池在機(jī)械濫用下的失效機(jī)理,短路產(chǎn)生的歐姆熱是短時(shí)間內(nèi)溫度上升的主要熱源。Lee等提出了一種雙向非線性機(jī)-電-熱耦合電池模型分析方法,研究鋰離子電池在準(zhǔn)靜態(tài)壓痕下由內(nèi)短路引起的熱失控。力學(xué)模型計(jì)算機(jī)械變形,電化學(xué)模型計(jì)算產(chǎn)熱,傳熱模型計(jì)算熱量在電池中的分布。研究發(fā)現(xiàn),隨著壓頭直徑的增大,內(nèi)短路發(fā)生的位置偏離壓頭中心,短路電流呈減小趨勢(shì),熱失控的峰值溫度也越低。Liu等建立了軟包電池的機(jī)-電-熱耦合模型,該模型包括電化學(xué)模型、力學(xué)模型、短路模型和熱模型4個(gè)子模型,耦合方式如圖4所示。試驗(yàn)結(jié)果表明,短路時(shí)的熱源主要是短路位置的焦耳熱,由于負(fù)極電阻要高于正極,所以負(fù)極層產(chǎn)熱較大;短路的位置、失效層數(shù)和破壞面積也對(duì)產(chǎn)生熱量有著顯著影響。當(dāng)前對(duì)擠壓熱失控的研究同針刺熱失控類似,都是在結(jié)構(gòu)破裂引發(fā)的內(nèi)短路和電池?zé)崾Э刂g建立聯(lián)系,但擠壓引發(fā)的結(jié)構(gòu)破損形狀不規(guī)則,引起的電阻變化更加難以測(cè)量。
從以上的研究中可以看出,機(jī)械濫用條件下鋰離子電池的失效機(jī)理不同于熱濫用、電濫用等其他濫用條件,機(jī)械濫用涉及到機(jī)械、內(nèi)短路、電化學(xué)和熱等多學(xué)科的耦合,目前迫切需要對(duì)動(dòng)力電池在機(jī)械濫用條件下的失效機(jī)理進(jìn)行深入的研究,在多物理耦合模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,闡明其失效機(jī)理,提高電池的安全性。
1.3 電濫用仿真
電濫用主要包括過(guò)充和過(guò)放。當(dāng)電池達(dá)到滿電狀態(tài)后繼續(xù)充電,大量鋰離子從正極活性材料中脫嵌,穿過(guò)隔膜嵌入負(fù)極,負(fù)極會(huì)產(chǎn)生金屬鋰枝晶,造成內(nèi)短路,引發(fā)電池的熱失控。電池達(dá)到最低放電電壓后繼續(xù)放電時(shí),負(fù)極集流體會(huì)溶解成二價(jià)銅離子,通過(guò)電解質(zhì)到達(dá)電位更低的正極,形成銅枝晶,正負(fù)極短接導(dǎo)致熱失控。
在當(dāng)前對(duì)電濫用仿真的研究中,部分學(xué)者用等效電路模型對(duì)過(guò)充/過(guò)放進(jìn)行仿真,以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為依托對(duì)模型進(jìn)行擬合,提高模型的準(zhǔn)確性,再將等效電路模型與熱模型耦合起來(lái),研究電池的熱分布。朱艷麗等用三維熱電耦合模型模擬了電池在不同充電電流下過(guò)充引發(fā)的熱失控,發(fā)現(xiàn)充電倍率會(huì)影響電池發(fā)生熱失控時(shí)的臨界時(shí)間、臨界溫度和熱分布。充電電流越大,熱失控發(fā)生的時(shí)間越短,臨界溫度越高,區(qū)域溫差越大。Hosseinzadeh等建立了由多個(gè)單元串并聯(lián)組成的電池組模型,每個(gè)單元包括一個(gè)一階的等效電路模型和在Matlab/Simscape中運(yùn)行的熱模型。通過(guò)研究電池組結(jié)構(gòu)、電池?cái)?shù)量、電阻、容量等不同因素對(duì)電池的影響,發(fā)現(xiàn)電池容量會(huì)影響電池組的不均勻性,間接性的引起電池的過(guò)充或過(guò)放進(jìn)而影響電池的安全。等效電路模型如圖5所示。
電濫用實(shí)際上是由枝晶生長(zhǎng)導(dǎo)致的內(nèi)短路引發(fā)的電池?zé)崾Э兀S著對(duì)電濫用研究的不斷深入,近年來(lái)也有學(xué)者從枝晶生長(zhǎng)的角度對(duì)電池的電濫用熱失控進(jìn)行了仿真。王青松等建立了分層的電化學(xué)-熱耦合模型,通過(guò)改變鋰枝晶半徑、數(shù)量和中心距,發(fā)現(xiàn)鋰枝晶半徑越大、數(shù)量越多、中心距越大,其熱失控發(fā)生的就會(huì)越快越劇烈。但該模型假定發(fā)生熱失控時(shí)電池電壓不變,仿真與試驗(yàn)結(jié)果在數(shù)據(jù)上存在一定誤差。Wang等提出了一種低導(dǎo)熱和低導(dǎo)電的聚甲醛刺針,建立了電池的三維模型預(yù)測(cè)電池受到針刺時(shí)的的熱失控。研究發(fā)現(xiàn),在聚甲醛刺針穿透電池的過(guò)程中,集流體破損造成的毛刺和導(dǎo)電顆粒引發(fā)內(nèi)短路,正負(fù)極集流體的鋁銅短路占主導(dǎo),因此該模型也可以用來(lái)模擬枝晶生長(zhǎng)和集流體邊緣毛刺引起的內(nèi)部短路。
當(dāng)前研究中,對(duì)電濫用的仿真可以歸結(jié)為兩種:等效電路-熱耦合(或電-熱耦合)模型和枝晶生長(zhǎng)模型。兩種模型都是電模型與熱模型的耦合模型,前者通過(guò)電池等效電路模型計(jì)算電池發(fā)生熱失控時(shí)的熱行為,后者通過(guò)電池內(nèi)短路模型模擬電濫用引發(fā)的熱失控。利用內(nèi)短路模型模擬枝晶生長(zhǎng)引發(fā)的熱失控,其原理與針刺熱失控類似,但電池在電濫用條件下的枝晶參數(shù)難以獲得,需要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支撐。
2 熱蔓延仿真
大型用電設(shè)備如電動(dòng)汽車的電池包通常是多塊電池組成的電池組,電池組中某一電池發(fā)生熱失控時(shí),熱量會(huì)迅速傳給周邊電池引發(fā)整個(gè)電池組的熱失控,這個(gè)過(guò)程稱為熱蔓延。熱蔓延是引發(fā)電池組熱失控的常見(jiàn)誘因,隨著用電設(shè)備的普及,學(xué)者們針對(duì)電池組的安全性展開(kāi)了研究。因大型電池組具有體積大、成本高、溫度梯度大等問(wèn)題,通過(guò)試驗(yàn)并不能很好的研究電池?zé)嵝袨椋抡娉蔀橹饕难芯渴侄危瑢?duì)熱蔓延的研究通常在兩個(gè)方面:熱蔓延的影響因素以及如何抑制熱蔓延。
為研究熱蔓延的影響因素,學(xué)者們建立了電池組的仿真模型,通過(guò)改變電池的工作環(huán)境,研究了不同條件對(duì)電池組熱蔓延的影響。李頂根等用C++模擬電池組的熱失控行為,以失控傳播時(shí)間間隔為評(píng)價(jià)熱管理系統(tǒng)的性能指標(biāo),研究發(fā)現(xiàn)相變材料的導(dǎo)熱率對(duì)電池組熱蔓延影響較大。王兵用電池組的烘箱模型研究熱失控在電池組中的熱蔓延情況。通過(guò)改變電池間距,得到了間距跟熱蔓延之間的函數(shù)關(guān)系。張亞軍等建立了5并電池模組熱擴(kuò)散模型,對(duì)電池組進(jìn)行烘箱加熱仿真,研究發(fā)現(xiàn)導(dǎo)熱系數(shù)低的隔熱材料可以有效地阻止熱失控的熱量在電池之間的傳播,高對(duì)流換熱系數(shù)會(huì)加速熱量傳播。
熱蔓延會(huì)引發(fā)的電池組的熱失控,危害生命財(cái)產(chǎn)安全,且電池組中溫度分布不均勻會(huì)影響電池壽命。為抑制熱蔓延,保證電池組的壽命和安全,學(xué)者們對(duì)電池組散熱系統(tǒng)展開(kāi)研究。Zhao等從如何控制熱失控在電池之間的傳播入手,通過(guò)試驗(yàn)和仿真研究了九宮格柵玻璃纖維隔斷封裝的電池?zé)崾Э嘏蛎浐蛡鞑デ闆r,發(fā)現(xiàn)一定厚度的玻璃纖維能有效抑制熱失控的傳播,并得到了熱失控電池表面溫度與電池間距、玻璃纖維隔板厚度的擬合關(guān)系函數(shù)。李頂根等建立了鋰電池模組熱電耦合模型,通過(guò)改變充放電倍率,研究電池組中液冷管排數(shù)和填充材料對(duì)熱蔓延的抑制效果。Wang等建立了電池組的一維三維耦合模型,模擬水泵液冷對(duì)電池組的冷卻效果,耦合方式如圖6所示。研究表明,石墨可以有效提高電池組的散熱性能,但材料厚度對(duì)電池組的不均勻性并無(wú)影響。大斜率的線性冷卻策略可以有效散熱,初始溫度跟穩(wěn)定溫度之間的差異也會(huì)影響電池組的冷卻效果。
當(dāng)前已有很多學(xué)者對(duì)電池組進(jìn)行了仿真,以上學(xué)者的研究中,通過(guò)設(shè)置不同的環(huán)境,研究了熱量在電池組內(nèi)的蔓延情況;通過(guò)給電池組添加散熱和導(dǎo)熱裝置,設(shè)計(jì)了電池組的熱管理系統(tǒng)。但當(dāng)前對(duì)于電池組的研究,大多以方型電池為研究對(duì)象,圓柱電池因其表面為曲面,與導(dǎo)熱、散熱裝置貼合不緊密,在電池組中電池之間的空隙較大,給散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)困難,對(duì)圓柱電池組的研究相對(duì)較少,未來(lái)研究可從該方向展開(kāi)。
3 熱失控仿真的應(yīng)用
近年來(lái)電池?zé)崾Э氐姆抡姘l(fā)展迅速,在應(yīng)用層面也有了一定的進(jìn)展。在電池的設(shè)計(jì)過(guò)程中,通常需要提前計(jì)算電池可能發(fā)生的熱失控,預(yù)測(cè)電池的安全性能。
對(duì)電池?zé)崾Э氐难芯恐校瑹o(wú)論是實(shí)驗(yàn)方法還是仿真方法,都需要先通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取電池?cái)?shù)據(jù),才能保證結(jié)果的準(zhǔn)確,但鋰離子電池模型搭建是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,需要定義電池工作的物理場(chǎng)和邊界條件,對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,進(jìn)行離散化求解。為了更方便地估算電池溫度,近年一些學(xué)者開(kāi)始探索通過(guò)函數(shù)關(guān)系預(yù)測(cè)電池?zé)嵝袨榈姆椒ā|S文才建立了鋰離子電池電化學(xué)-熱耦合模型,分析了電池在高溫、針刺內(nèi)短路、過(guò)充等工況下的熱行為,并用格林函數(shù)推導(dǎo)了針刺短路時(shí)的溫度方程,能夠比較合理準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)電池?zé)嵝袨椤u等將電場(chǎng)和熱場(chǎng)相結(jié)合建立電池的三維內(nèi)短路模型,探究不同的穿刺位置對(duì)針刺熱失控的影響,基于格林函數(shù)法給出了計(jì)算電池在針刺熱失控下計(jì)算溫度分布的半解析解。張勝建立了融合可變內(nèi)部熱容和外部熱阻模型的簡(jiǎn)化可變參數(shù)熱模型,提出一種內(nèi)部溫度估計(jì)方法。Wang等建立了鋰離子電池機(jī)械-熱耦合模型,通過(guò)引入應(yīng)力應(yīng)變曲線與楊氏模量,模擬了軟包電池工作時(shí)發(fā)生的形變量和溫度變化。該模型可以預(yù)測(cè)電池的膨脹應(yīng)力,用來(lái)指導(dǎo)電池模組的設(shè)計(jì)。
以上研究中對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э氐墓烙?jì)方法都能比較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)鋰離子電池的熱行為,但因?yàn)殡姵胤N類繁多,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,參數(shù)也難以得到,當(dāng)前的電池預(yù)測(cè)模型通用性不強(qiáng)。當(dāng)前對(duì)電池行為的預(yù)測(cè)都是基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果,將其擬合成函數(shù)關(guān)系,貼近實(shí)際結(jié)果但對(duì)實(shí)驗(yàn)比較依賴,且沒(méi)有考慮電池內(nèi)部的化學(xué)變化。
4 結(jié)論
當(dāng)前對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э氐难芯恳呀?jīng)不再局限于熱安全問(wèn)題的表面研究,需要更深入研究熱失控發(fā)生時(shí)的內(nèi)部擴(kuò)展進(jìn)程,熱失控模型因其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)已成為鋰離子電池?zé)崾Э匮芯康闹匾侄危壳颁囯x子電池?zé)崾Э胤抡娴倪M(jìn)展總結(jié)如下。
(1)高溫?zé)崾Э胤抡嫱ㄟ^(guò)定義電池在高溫下的四種主要副反應(yīng)模擬電池?zé)崾Э兀玫搅穗姵卦诓煌瑹釣E用工況下副反應(yīng)發(fā)生的順序、放熱量、劇烈程度以及相關(guān)物質(zhì)的變化趨勢(shì)。但電池在高溫下隔膜融化引發(fā)內(nèi)短路放出的熱量并未計(jì)算在其中,熱失控過(guò)程中的其他副反應(yīng)放熱也通常被忽略。未來(lái)的研究應(yīng)對(duì)電池?zé)崾Э氐漠a(chǎn)熱機(jī)理進(jìn)行更深一步地分析,建立更精確的熱濫用模型。
(2)對(duì)電池機(jī)械濫用的仿真通常用三維的內(nèi)短路模型,通過(guò)在正負(fù)極之間加一個(gè)內(nèi)阻較小的金屬塊模擬電池隔膜破裂引起的內(nèi)短路,能夠比較準(zhǔn)確地模擬出電池因機(jī)械濫用引發(fā)的熱失控。但是當(dāng)前針刺熱失控仿真通常假設(shè)電池在針刺的瞬間便被穿透,并未對(duì)穿透過(guò)程中反應(yīng)的變化進(jìn)行仿真,也未能模擬出電池受到針刺時(shí)電壓掉落的現(xiàn)象,隔膜破裂和受到擠壓區(qū)域的接觸電阻也難以量化。后續(xù)工作應(yīng)加大對(duì)針刺過(guò)程和接觸電阻的研究,使機(jī)械-電化學(xué)-熱耦合模型更加完善。
(3)電濫用的實(shí)質(zhì)是枝晶穿透隔膜引發(fā)的內(nèi)短路,對(duì)電濫用進(jìn)行仿真通常采用等效電路模型或跟機(jī)械濫用類似的內(nèi)短路模型,用小電阻導(dǎo)體模擬枝晶引發(fā)內(nèi)短路。但是枝晶結(jié)構(gòu)細(xì)小,其位置、直徑、數(shù)量和阻值等也難以測(cè)量,可以深入研究電濫用與枝晶之間的量化關(guān)系,為電濫用的仿真提供可靠數(shù)據(jù)。
(4)熱蔓延是引發(fā)電池組熱失控的常見(jiàn)誘因,熱蔓延仿真通常用幾塊電池加中間的傳熱條件構(gòu)成電池組,研究熱蔓延的影響因素以及如何抑制熱蔓延。但隔熱材料只能減緩熱量在電池之間的傳播速度,并不能有效地抑制熱失控的發(fā)生,可以嘗試將熱蔓延仿真與電池組熱管理結(jié)合,提高電池組的壽命和安全性。當(dāng)前對(duì)熱蔓延的研究重點(diǎn)在方型電池,對(duì)圓柱電池的研究相對(duì)較少,未來(lái)的研究應(yīng)擴(kuò)展到圓柱電池模組中的熱蔓延和熱管理。
(5)當(dāng)前用熱失控仿真預(yù)測(cè)電池的熱失控時(shí),通過(guò)建立電池的熱失控模型,分析電池在不同工況下的熱行為,擬合出一個(gè)計(jì)算比較便捷的溫度估計(jì)方法。但熱失控模型是基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立的傳熱模型,在不同電池之間通用性較差,未來(lái)關(guān)于熱失控預(yù)測(cè)的工作應(yīng)該從發(fā)生熱失控時(shí)的副反應(yīng)入手,從化學(xué)層面預(yù)測(cè)電池的熱行為。