三元软包锂离子电池放电过程扩散诱导应力与热应力对比研究

为了明晰锂离子电池在放电过程中产生的扩散诱导应力和热应力对电池的影响,使用Comsol Multiphysics 6.0建立了18.5 Ah软包NCM111锂离子电池的电化学-力-热耦合模型,基于该模型对不同放电倍率下电池的负极颗粒中心表面锂浓度差、扩散诱导应力、热应力及膨胀行为进行了仿真分析。扩散诱导应力可通过一维电化学模型及其衍生的颗粒维度进行仿真分析,而热应力则需要通过三维固体力学和传热模型进行仿真。研究结果表明,随着放电倍率的增加,电池产生的扩散诱导应力和热应力都会增大,因此,低放电倍率有助于降低电池产生的应力。负极颗粒产生的扩散诱导应力与颗粒中心表面锂浓度差相关,颗粒中心与表面的锂浓度差随着放电过程的进行逐渐增大。将一维模型中的负极视为由无数负极颗粒组成的线段,放电前期,靠近隔膜端的颗粒中心与表面锂浓度差高于集流体端,放电后期则相反,这个变化发生的转折点在放电深度为60%~70%之间。这也意味着放电前期隔膜端的负极颗粒产生的扩散诱导应力大于集流体端的负极颗粒,也更容易破裂,而放电后期则相反。负极颗粒产生的扩散诱导应力大小为兆帕级,远高于电芯产生的大小为千帕级的热应力。同时,电芯产生的热应力和最大位移与电池温差呈线性关系,随着放电倍率的增加而增大。值得注意的是,与圆柱形电池不同,软包电池的极耳与电芯连接处会产生较大的热应力。本研究对比分析了软包NCM111锂离子电池放电过程产生的扩散诱导应力与热应力,为电极和电芯的制造及应力监测提供理论支撑。

基于红外热成像技术的软包锂电池热特性分析

基于红外热成像技术以及可视化测试手段,探究了三元软包锂电池在不同工作条件下表面温度变化特性以及生热规律。以环境温度,放电倍率,极耳夹持方式为三种变量条件,将其中两者耦合进行控制变量实验,通过监测电池表面温升情况,寻找该款电池的最佳工作的方式。保证电池在一定的工作温度下进行不同倍率放电实验,发现随着放电倍率的升高,生热量增多,电池表面温度升高;导电夹夹持极耳与铜片夹持极耳相比会导致极耳处过流不足,生热量急剧增加,电池表面温升显著,不利于电池散热,结合各组实验结果得出该款电池的最佳工作温度为25℃,面对放电倍率高的工况应该加强优化散热系统,这对散热优化方案的提出具有指导意义。

三元软包动力锂电池热安全性

锂离子电池频出的安全事故对电池厂商提出了更高的安全性要求,利用ARC提供的绝热环境研究了23 A·h软包NCM523动力锂电池,热失控过程中热特征参数变化、温度场的分布及热失控的演变。25%SOC电池相较于75%SOC电池的热失控触发温度低22.68℃,75%SOC电池相较于25%SOC电池热失控的最高温度Tm高70.07℃,最大温升速率大111.37℃/min,即75%SOC电池热失控过程化学反应放热更加剧烈,热失控破坏性较大。热失控过程中,25%SOC电池正极、负极的最高温度分别为385.5℃、342.7℃,电池正极温度高于负极42.8℃;75%SOC电池正极、负极的最高温度分别为508.8℃、365.8℃,电池正极温度高于负极143℃。25%SOC电池在119.75℃鼓包明显;339.35℃时,电池产生大量浓烟,电池没有发生爆炸,热失控后损毁较为严重,电池开始自产热到热失控最高温度总历时5.125 h。75%SOC电池171.06℃时正极附近出现大幅鼓起;4.77 min后,电池正负极中间处喷出大量烟雾;1 s内电池喷出火焰,电池发生爆炸,爆炸所引起的燃烧大约持续6.4 s,电池开始自产热到热失控最高温度总历时6.715 h。