基于WLTC工况电化学-热耦合仿真的NCM锂电池极耳优化分析

电化学-热耦合模型是锂离子电池设计开发过程的关键技术。采用基于WLTC(Worldwide Light-duty Test Cycle)工况的锂离子电池电化学-热耦合模型,分析了111型镍钴锰酸锂电池(Li(Ni_(x)Co_(y)Mn_(z))O_(2))同侧极耳分布的方形电池的温度场以及电特性,并优化极耳尺寸及极耳间距。研究发现,WLTC工况下放电倍率对温度场和电特性有显著影响,随着放电倍率的增大,WLTC工况的两个循环结束时刻电池的最大温升和温差均以凹型曲线的趋势升高,放电倍率为2C时温升达12.705℃、温差为1.359℃;电压曲线的变化趋势也随放电倍率的增大而大幅下降。进一步研究发现,电池的最大温升和温差与正、负极耳的宽度及极耳间距显著相关,当正极耳宽度为0.03 m,负极耳宽度为0.05 m时,电池的最大温升与温差最小;当正、负极耳间距为0.05 m时,电池的最大温升与温差最小。

基于三维分层结构的锂离子电池电化学-热耦合仿真及极耳优化

本文研究采用基于三维分层结构的锂离子电池电化学-热耦合模型,分析方形电池最小单元的温度场及电流场特性,并优化极耳尺寸。恒流放电工况实验及仿真结果对比显示,模型在0.5 C、1 C及2 C倍率放电时的温度及电压曲线均与实验吻合良好,说明该模型可用于分析电池的电化学特性及热特性。研究发现随着放电倍率的增大,放电终止时刻电池最大温升以凸型曲线的趋势升高,2 C倍率放电时高达33.83℃;自身最大温差以凹型曲线的趋势增大,2 C倍率放电时为1.6645℃;垂直于隔膜方向的平均电流密度及电流密度分布的最大差值呈线性增长,2 C倍率放电终止时分别为43.62 A/m^2及2 A/m^2。进一步研究发现电池最大温升及最大温差与负极耳和正极耳的电阻比Sc显著相关,最优的Sc值被认为在0.875附近。当Sc<0.875时,电池最大温升及最大温差分别以1.52℃/Sc及5.2℃/Sc的速率快速下降;当Sc>0.875时,电池最大温升以0.2021℃/Sc的缓慢速率下降,最大温差以0.1934℃/Sc的速率缓慢上升。另外垂直于隔膜方向的平均离子电流密度及电流密度差值受Sc值的影响较小。