圆柱电池在机械滥用工况下的多物理场计算模型框架

• 作 者: 刘冰河 许骏
• 机 构: 北京航空航天大学
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: 锂离子电池 多物理场 安全

锂离子电池被认为是汽车最有可能的替代能源之一。然而,在极端工况下(例如机械滥用、热滥用和电滥用)电池会产生不可逆的灾难性后果(起火、爆炸等)。因此,汽车碰撞工况下引发的电池机械滥用问题受到了广泛的关注。根据图1可以发现电池在机械载荷后会发生变形、短路、热失控等过程。在变形过程中,以压缩工况为例,电池外壳和卷芯首先承受载荷;外壳屈曲后,卷芯开始承受主要载荷;当变形演化时,阴极,阳极或隔膜会机械失效(内部短路可能触发)。一旦发生内部短路,就会产生焦耳热,导致温度猛烈上升,同时电压急剧下降。当电池温度达到临界值,热失控就会被激发,此时化学反应会在电池内发生(例如SEI的分解,负极活性材料和电解液的反应,正极活性材料与电解质的反应,电解质的分解等)。上述过程包含了力学变形、电化学反应、化学反应、电池放电等过程,是一个典型的多物理场问题,本文首次建立了电池从变形到热失控的多物理场计算框架。首先分别建立了五个子模型:机械(力学)模型、电池(电化学)模型、传热模型、短路模型和热失控模型,并建立了五个子模型的耦合关系,模型框架图如图2所示。建立的模型的数值计算结果与实验进行对比。如图3所示,模型能很好的预测电池在压缩过程中的载荷、电压和温度响应。同时,模型能获得电池的应力状态、短路位置、温度、化学反应热等实验难以获得的结果。最后,本文讨论了荷电状态、压缩速度和压缩位移对锂电池多物理场行为的影响。本文的结果进一步认识了电池在机械滥用工况下的多物理场行为机理,同时有助于解决电池的安全设计与安全防护问题。