不同温度下锂离子电池热—化耦合的数值模拟研究

锂离子电池因具有高电压平台、高能量密度、低自放电率、绿色环保等诸多优良性能得到了广泛的应用,且性能优良的锂离子动力电池的研究和开发更是当前新能源汽车产业的发展需要。虽然锂离子电池具有多方面优点,但也存在一些缺点,如电池的低温性能、倍率性能和安全问题等,制约着锂离子电池广泛的应用。本文旨在建立基于锂离子电池关键参数传递的电化学-热耦合关系的数值仿真模型,对锂离子电池放电过程进行电化学行为和热行为研究。探讨不同温度下放电时,锂离子电池的电化学反应和锂离子扩散迁移与温度、正负电极材料设计以及热管理系统之间的关系,得到锂离子电池放电倍率与产热之间的影响规律,以及热管理系统对锂离子电池温度和性能的影响。本论文的主要研究工作包括以下几个方面:(1)由于锂离子电池是一个复杂的系统,放电过程中锂离子电池内部电化学和热能存在相互影响。我们建立了通过关键参数进行实时传递的一维电化学模型和三维热模型的耦合关系模型,得到了锂离子电池放电过程中全面的电化学行为和其温度场的分布与变化规律。结果显示温度会影响锂离子电池活性物质的扩散和电解液的电导率,在低倍率放电下,电化学反应对温度有重要影响。(2)研究了常温环境下锂离子电池放电过程中的传质过程以及放电倍率、冷却条件对锂离子电池温度场分布的影响。放电过程中,锂离子电池在其正负电极材料厚度方向上和活性颗粒中均存在固相扩散和液相扩散极化,且随着放电的进行两种极化都在增大。其中活性颗粒粒径越大造成的扩散极化越严重,活性颗粒越小越容易减小扩散极化。放电过程中锂离子电池的最高温度出现在其中心偏下的地方,靠近极耳的温度相对于其它地方偏低。在小的放电倍率下,可逆热在总产热中占主导地位,总产热在放电过程出现了吸热和放热的特点;在大的放电倍率下,不可逆热在总产热中占主导地位,总产热放电过程中的吸热现象逐渐消失。(3)在常温环境下放电的基础上,我们研究了低温环境下锂离子电池放电的特点。低温环境下放电,锂离子的扩散极化严重,放电结束将其充分静置,也很难再次达到放电前的平衡状态。这就造成了锂离子电池在低温环境下放电时,出现容量挥发大和循环性能差的现象。当环境温度越低时,其欧姆极化和浓度极化越严重,锂离子电池产热量越大,温度升高越快。在锂离子电池外部添加温度装置、使用绝热条件、减小正负电极材料活性颗粒粒径以及适宜孔隙率都有利于提高锂离子电池在低温下放电的性能。