鋰離子動力蓄電池熱失控模型與機理研究

《鋰離子動力蓄電池熱失控模型與機理研究》是依託清華大學，由林成濤擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：鋰離子動力蓄電池熱失控模型與機理研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：林成濤
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

鋰離子電池被公認是最有希望的電動汽車動力電源，但鋰離子電池的使用安全問題還沒有完全解決，並制約其在電動汽車領域的大規模使用。鋰離子電池的安全問題與電池的生熱、散熱過程密切相關。本申請課題以錳酸鋰動力蓄電池為研究對象，研究鋰離子電池的生熱特性、熱失控模式與熱失控模型，解析電池的熱失控機理。研究工作搭建鋰離子電池單體專用測試平台，進行具有危險性的電池熱失控實驗以掌握基礎數據；全面研究電流、電壓、荷電狀態、內部溫度對鋰離子電池生熱的影響；基於電池正極材料、負極材料、隔膜、電解液等在高溫環境中反應特性，研究鋰離子電池熱失控的機理；建立鋰離子電池的三維熱失控模型，在熱失控模型中嵌入考慮電池內部材料的分項生熱機理和電流密度分布，運用數值仿真技術研究電池的過充電、高溫、短路、針刺四種典型失效模式，進一步驗證電池生熱機理，提出防控熱失控的關鍵控制參數與措施方法，提高鋰離子電池的使用安全。

結題摘要

電動汽車是世界交通領域面對能源和環境壓力的必然選擇。在電動汽車用大型動力蓄電池中，鋰離子電池最具發展潛力，但安全性仍然制約其廣泛套用和電動汽車的普及。鋰離子電池在過充電、短路、高溫、針刺等極端使用條件下的安全性決定鋰離子電池的安全性評價，也是改善鋰離子電池安全性相關研究工作的重點。 本課題重點研究極端使用條件下的鋰離子電池安全性。課題以某國產100Ah大容量錳酸鋰電池為研究對象，通過常規試驗掌握錳酸鋰電池的基本工作特性，結合紅外熱成像等手段，通過安全性測試掌握錳酸鋰電池在極端使用條件下的具體現象與重要參數變化，建立鋰離子電池的生熱模型、熱模型、熱失控模型和格線模型，使用多物理場耦合建模分析軟體COMSOL，運用數值仿真的方法，分析鋰離子電池在過充電、短路、高溫和針刺條件下的內部反應機理，計算電池溫度場和電學特性的變化，討論電池副反應的影響、熱失控的原因和熱安全的保障條件，進而為鋰離子電池的設計、製造、使用提供指導。試驗數據和仿真結果的對比分析，驗證了所建立的鋰離子動力蓄電池三維電熱耦合模型在上述四種極端條件下的實用性、可靠性和準確性。 研究工作表明，鋰離子電池過充電過程的主要安全隱患是副反應，在使用中要採取有效措施避免過充電相關副反應引起的熱失控。外部短路是一種典型電池濫用情形，短路過程電流大、時間短、熱衝擊強烈，是重大安全隱患。高溫加熱過程中的電池副反應是導致電池失效直至熱失控的主要原因，加熱試驗過程中電池的熱失控原因主要與副反應中的負極與電解液的反應相關。要避免電池處於100℃以上的高溫環境，過高的環境溫度容易使電池的有機電解液氣化，從而導致電池迅速失效。電池被針刺的過程中，正極集流體鋁與負極集流體銅連線是主導電池針刺過程的反應。 研究工作對於電池的套用提供了有益的啟示：鋰離子電池的熱安全受電池設計、材料、結構、製造、使用等諸多因素影響，最佳化電池結構、精選電池材料、改善製造工藝、增加保護措施等辦法都能減少電池出現熱失控的風險。電池結構與材料的改善，能夠顯著提高電池的抗過充電、耐高溫能力，通過監控或增加保護裝置能有效避免短路、過充電的發生。對鋰離子電池極端使用條件下的安全性分析，能夠幫助提高電池設計效率、降低電池開發成本、保障使用安全。 研究工作中對電池副反應的分析與建模，採用分類解耦方法對鋰離子電池針刺過程中內部生熱因素開展的研究具有一定創新性。