鋰電池電化學-熱-力-短路-熱失控耦合模型的應用制造技術

本發明專利技術提供鋰離子電池電化學

【技術實現步驟摘要】
鋰電池電化學
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熱
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力
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短路
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熱失控耦合模型的應用
[0001]本申請是申請號為202210938703.3，專利技術名稱為“一種鋰離子電池電化學
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熱
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力
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短路
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熱失控耦合模型”的分案申請。


[0002]本專利技術涉及鋰離子電池
，具體涉及一種鋰離子電池電化學
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熱
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力
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短路
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熱失控耦合模型及其構建方法和應用。

技術介紹

[0003]隨著我國經濟的快速發展，對化石能源的消耗導致國家面臨能源危機和環境污染等問題，急需發展和使用新型可再生能源以緩解當前處境。鋰離子電池因具有能量密度高、工作電壓高、自放電率低、無記憶效應等優點被廣泛應用，已成為目前新能源汽車的首選和主流動力源。然續航里程和安全性問題是電動汽車推廣過程中的關鍵影響因素。高能量密度電池體系的開發在緩解里程焦慮的同時，促使電池安全問題日益突出，嚴重危害人民群眾生命與財產安全。
[0004]由于鋰離子電池的廣泛應用，在一些實際的使用場景中易受到機械載荷的沖擊和影響，導致電池受力并產生變形。嚴重時會引起電池內部正/負極發生短路產生大量熱量，進而觸發電池燃燒和爆炸等熱失控風險。目前，我國動力汽車用動力蓄電池安全要求及實驗方法(GBT31485
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2015)中規定單體蓄電池在擠壓實驗中應不爆炸、不起火。
[0005]在電池設計開發階段完全基于實驗方法會帶來大量實驗測試工作、復雜的操作流程以及較高的成本，且并不能幫助研發人員深入認識電池內在電化學反應、產熱以及短路機理。因此有必要設計一種用于估計、預測電池在擠壓工況中溫度和電壓動態響應的耦合模型，以便提供更多電池內部信息。
[0006]現有技術中存在一些模擬預測電池熱失控行為的仿真模型，但這些仿真模型僅適用于常規電或熱觸發因素的影響預測。由于電池熱失控除受上述影響因素外，機械、短路等極端的偶然因素也常常會造成電池的熱失控現象，引發變形并在短時間內產生較大的熱量，這些影響均會對電池產生較大的損害。仿真模型對于這些極端的或偶然因素的預測能力顯得尤為重要。

技術實現思路

[0007]針對現有技術的不足，本專利技術提供了一種鋰離子電池電化學
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熱
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力
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短路
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熱失控耦合模型及其構建方法和應用，該模型能夠模擬電池外部和內部特征在擠壓工況下的動態響應，求解電池在擠壓過程中電壓、溫度、應力以及物質的分布和變化，估計和預測內短路發生位置、大小以及熱失控溫度的演變。節約實驗成本，指導電池優化設計、提高開發效率，顯著提升了對于機械、短路等極端或突變條件下電池狀態的預測能力。
[0008]為實現上述目的，本專利技術采取的技術方案包括：
[0009]一種鋰離子電池電化學
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熱
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力
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短路
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熱失控耦合模型，所述耦合模型由電化學模
型、熱模型、力學模型、短路模型以及熱失控副反應模型耦合而成。
[0010]模型間的耦合關聯方式包括：所述力學模型的應力/應變參數與短路模型的電導率關聯，所述短路模型的短路內阻與電化學模型的邊界條件關聯，所述電化學模型的電池電壓與短路模型的邊界條件關聯，所述熱模型的溫度分別與電化學模型和熱失控副反應模型的溫度關聯，所述短路模型的內短路產熱，電化學模型的電化學極化熱、可逆熵熱和歐姆熱，以及熱失控模型的副反應產熱分別與熱模型中的對應產熱項關聯。通過上述耦合關聯，能夠成功將電池在機械、短路等突變條件下的影響在模型中進行實時準確的傳遞，并通過應力/應變、內阻變化、溫度變化、綜合產熱等參數反應出來，提高了模型的仿真準確性、靈敏性和綜合狀況下的預測能力。
[0011]作為優化的可選方案，各模型間的耦合關聯方式可以通過下述各具體模型的建立實現。
[0012]所述電化學模型由電化學方程組和電化學產熱方程組組成；所述電化學方程組包含固相質量守恒方程、液相質量守恒方程、固相電荷守恒方程、液相電荷守恒方程以及電極反應動力學方程中的一種或多種，用于求解電池內固/液相中的電勢、Li
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濃度以及副反應物質的濃度分布和變化；所述電化學產熱方程組包含歐姆熱方程、可逆熵熱方程、電化學極化熱方程中的一種或多種，求解電池各產熱組分的大小。
[0013]所述熱模型由能量守恒方程構成，用于模擬電池內溫度分布和變化；所述能量守恒方程包含傳熱項、產熱項以及散熱項；所述傳熱項用于描述電池內部溫度梯度導致的熱量傳遞現象；所述產熱項包括的熱源有電化學極化熱、可逆熵熱、歐姆熱、內短路熱以及熱失控副反應熱；所述產熱項熱源均由其它物理模型通過參數實時傳遞的方式傳遞至熱模型中；所述散熱項由對流傳熱和輻射傳熱組成，用于描述電池與環境間的對流和輻射傳熱導致的熱交換。
[0014]所述力學模型由幾何方程、物理方程、平衡微分程構成，用于模擬電池在機械載荷作用下的應力和應變的分布和變化，所述機械載荷由壓頭擠壓所致。
[0015]所述短路模型為基于歐姆定律所構建，用于實現對內短路大小、位置和產熱的預測；將電池組件的電導率定義為與應變/應力相關的函數關系式，各電池組件電導率大小隨力學模型中應力/應變的大小實時變化；所述應變/應力為按照參數傳遞的方式由力學模型實時傳遞至短路模型的數值；所述內短路產熱遵循歐姆定律。
[0016]所述熱失控副反應模型為包含物質守恒方程、能量守恒方程以及阿倫尼烏斯方程中的一種或多種，用于求解各副反應物質的濃度和產熱情況；所述副反應包括SEI分解反應、嵌鋰石墨與電解液反應、嵌鋰石墨和粘結劑反應、正極和負極反應、正極和粘結劑反應以及正極分解反應中的一種或多種。
[0017]所述參數實時傳遞的耦合方式為，上述物理模型被同時進行求解，各模型將當前求解所得的參數實時傳遞至對應的物理模型中并開展下一步求解計算，以此實現各物理模型之間的相互影響，即耦合。進一步地，所述電池組件包括負極集流體、負極涂層、隔膜、正極涂層以及正極集流體中的一種或多種。
[0018]進一步地，所述鋰離子電化學模型、熱模型、力學模型、短路模型以及熱失控副反應模型可共用同一幾何或單獨建立相應幾何。作為示例，電化學模型幾何可采用一維，熱模型、力學模型和短路模型的幾何可使用一維、二維或三維中的一種或多種，熱失控副反應模
型的幾何采用集總(0維)。
[0019]一種鋰離子電池電化學
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熱
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力
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短路
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熱失控耦合模型構建方法，包括如下步驟：
[0020]1.對樣品進行電化學測試、熱測試和力學測試，獲取相關物化參數；包括幾何參數、電化學相關參數、熱學相關參數以及力學相關參數；
[0021]2.使用有限元本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.一種鋰離子電池電化學
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熱
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力
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短路
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熱失控耦合模型在下述方向之一的應用：(1)在設計鋰離子電池結構和預測鋰離子電池在擠壓工況性能中的應用；(2)在開展相同工藝條件下大容量電池擠壓工況性能模擬和預測中的應用；所述耦合模型由電化學模型、熱模型、力學模型、短路模型以及熱失控副反應模型耦合而成；模型間的耦合關聯方式包括：所述力學模型的應力/應變參數與短路模型的電導率關聯，所述短路模型的短路內阻與電化學模型的邊界條件關聯，所述電化學模型的電池電壓與短路模型的邊界條件關聯，所述熱模型的溫度分別與電化學模型和熱失控副反應模型的溫度關聯，所述短路模型的內短路產熱、電化學模型的電化學極化熱、可逆熵熱和歐姆熱、以及熱失控模型的副反應產熱分別與熱模型中的對應產熱項關聯。2.根據權利要求1所述的應用，其特征在于，所述電化學模型用于求解電池內固/液相中的電勢、Li
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濃度以及副反應物質的濃度分布和變化，以及求解電池各產熱組分的大小；所述熱模型用于模擬電池內溫度分布和變化；所述力學模型用于模擬電池在機械載荷作用下的應力和應變的分布和變化；所述短路模型用于實現對內短路大小、位置和產熱的預測；所述熱失控副反應模型用于求解各副反應物質的濃度和產熱情況。3.根據權利要求1所述的應用，其特征在于，所述電化學模型由電化學方程組和電化學產熱方程組組成；所述電化學方程組包含固相質量守恒方程、液相質量守恒方程、固相電荷守恒方程、液相電荷守恒方程以及電極反應動力學方程中的一種或多種；所述電化學產熱方程組包含歐姆熱方程、可逆熵熱方程、電化學極化熱方程中的一種或多種；所述熱模型由能量守恒方程構成，所述能量守恒方程包含傳熱項、產熱項以及散熱項；所述傳熱項用于描述電池內部溫度梯度導致的熱量傳遞現象；所述產熱項包括的熱源有電化學極化熱、可逆熵熱、歐姆熱、內短路熱以及熱失控副反應熱；所述產熱項熱源均由其它物理模型通過參數實時傳遞的方式傳遞至熱模型中；所述散熱項由對流傳熱和輻射傳熱組成，用于描述電池與環境間的對流和輻射傳熱導致的熱交換；所述力學模型由幾何方程、物理方程、平衡微分程構成；所述短路模型為基于歐姆定律所構建；將電池組件的電導率定義為與應變/應力相關的函數關系式；所述應變/應力為按照參數傳遞的方式由力學模型實時傳遞至短路模型的數值；所述短路模型遵循歐姆定律；所述熱失控副反應模型為包含物質守恒方程、能量守恒方程以及阿倫尼烏斯方程中的一種或多種；所述副反應包括SEI分解反應、嵌鋰石墨與電解液反應、嵌鋰石墨和粘結劑反應、正極和負極反應、正極和粘結劑反應以及正極分解反應中的一種或多種。4.根據權利要求1所述的應用，其特征在于，具體的應用方法包括下述步驟：S1.對樣品進行電化學測試、熱測試和力學測試，獲取相關物化參數；包括幾何參數、電化學相關參數、熱學相關參數以及力學相關參數；S2.使用有限元軟件分別建立電化學模型、熱模型、力學模型、短路模型以及熱失控副反應模型，搭建鋰離子電池電化學
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熱
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短路
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熱失控耦合模型，并將步驟S1中所得相關參數賦予所建模型中；S3.根據鋰離子電池實際仿真需求，設置各物理模型的邊界條件和初始條件，并劃分網格；
S4.對樣品進行測試以獲取電池電、熱以及力等測試數據，基于所測數據對所述耦合模型開展校準與精度驗證，獲得鋰離子電池電化學
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熱
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力
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短路
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熱失控耦合模型；S5.調整電池尺寸參數以及容量，開展相同工藝條件下電池擠壓工況下的模擬和/或預測，具體的模擬和/或預測內容包括：(1)預測鋰離子電池在擠壓工況下的性能，(2)預測鋰離子電池在擠壓工況下的安全電池結構，(3)預測鋰離子電池的安全極限容量。5.根據權利要求4所述的應用，其特征在于，步驟S1所述樣品包括電池樣品、電極樣品和材料樣品；所述材料樣品包括正極材料、負極材料和隔膜材料；其中...

【專利技術屬性】
技術研發人員：馬德正，葛志浩，龔陽，張志超，
申請(專利權)人：天目湖先進儲能技術研究院有限公司，
類型：發明
國別省市：