鋰離子單體電池仿真熱分析

導(dǎo)語

       鋰離子電池被認(rèn)為是最重要的儲能技術(shù)之一。鋰離子電池因其低成本、高性能、大功率、綠環(huán)境等諸多優(yōu)勢，現(xiàn)已成為新能源的典型代表，廣泛應(yīng)用于3C數(shù)碼產(chǎn)品、移動電源以及電動汽車等領(lǐng)域。隨著鋰離子電池的不斷推廣，鋰離子電池的安全性越來越受到人們的關(guān)注，由于電池本身技術(shù)原因或是使用不當(dāng)?shù)葐栴}都可能會造成鋰離子電池爆炸，引起火災(zāi)等安全事故。

       本文主要對18650型號的鋰離子電池進(jìn)行仿真熱分析，分析過程使用了用戶子程序DFLUX進(jìn)行電池?zé)嵩吹脑O(shè)置。

       鋰離子電池因其低成本、高性能、大功率、綠環(huán)境等諸多優(yōu)勢，現(xiàn)已成為新能源的典型代表，廣泛應(yīng)用于3C數(shù)碼產(chǎn)品、移動電源以及電動汽車等領(lǐng)域。

       隨著鋰離子電池的不斷推廣，鋰離子電池的安全性越來越受到人們的關(guān)注，由于電池本身技術(shù)原因或是使用不當(dāng)?shù)葐栴}都可能會造成鋰離子電池爆炸，引起火災(zāi)等安全事故。尤其近幾年以電動汽車為主的電動交通工具市場對鋰離子電池的需求不斷加大，在發(fā)展大功率鋰離子電池體系過程中，電池安全問題引起了廣泛重視，存在的問題急需進(jìn)一步解決。

鋰離子電池?zé)崾Э剡^程

       近幾年出現(xiàn)的電池?zé)崾Э匾鸬幕馂?zāi)的案例中，都是由于電池的生熱速率遠(yuǎn)高于散熱速率，且熱量大量累積而未及時散發(fā)出去所引起的。從本質(zhì)上而言，“熱失控”是一個能量正反饋循環(huán)過程：升高的溫度會導(dǎo)致系統(tǒng)變熱，系統(tǒng)變熱后溫度升高，又反過來讓系統(tǒng)變得更熱。

第1階段：電池內(nèi)部熱失控階段

       電池在80～90℃時是安全的，溫度升高到90～120℃之間時 SEI 膜開始分解，釋放熱量，溫度升高。但是當(dāng)溫度達(dá)到120～130℃時保護(hù)層SEI膜遭到破壞，負(fù)極與溶劑、粘結(jié)劑反應(yīng)，溫度升高，隔膜融化關(guān)閉。溫度繼續(xù)升高至150℃之上后，內(nèi)部電解質(zhì)開始進(jìn)行分解，繼續(xù)釋放熱量，進(jìn)一步加熱電池。

第2階段：電池鼓包階段

       電池溫度達(dá)到200℃之上時，正極材料分解，釋放出大量熱和氣體，持續(xù)升溫。250-350℃嵌鋰態(tài)負(fù)極開始與電解液發(fā)生反應(yīng)。

第3 階段：電池?zé)崾Э兀ㄊщA段

       在反應(yīng)發(fā)生過程中，電解液與正極反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣劇烈反應(yīng)并進(jìn)一步使電池發(fā)生熱失控。

鋰離子電池?zé)崾Э爻梢?/strong>

       其實一般電池內(nèi)短路在電子產(chǎn)品中出現(xiàn)的概率是千萬分之一，也就是說平時生活中用到的單個電池安全性相對較高。但是在電動汽車中，一輛電動汽車的電池組需要幾千個電池組成，這樣發(fā)生熱失控的概率就由千萬分之一上升到千分之一。而且電動汽車的電池一旦發(fā)生危險，后果將非常嚴(yán)重，研究電池?zé)崾Э氐某梢蜃兊糜葹橹匾?/p>

1生產(chǎn)過程

①正極材料

       正極材料的安全性能主要包括過充安全性和熱穩(wěn)定性，在氧化狀態(tài)下，正極材料發(fā)生放熱分解反應(yīng)，并釋放氧氣。

②負(fù)極材料

       負(fù)極材料雖然比較穩(wěn)定，但嵌鋰狀態(tài)下的碳負(fù)極在高溫下會首先與電解液發(fā)生反應(yīng)。

③電解液

       電解液包括無機(jī)導(dǎo)電劑和有機(jī)溶劑，而有機(jī)溶劑的易燃特性本身就會對電池的安全性能造成一定的影響。

④生產(chǎn)工藝

       電池的生產(chǎn)工藝非常復(fù)雜，即使進(jìn)行嚴(yán)格控制，也不能完全避免生產(chǎn)過程中的金屬雜質(zhì)或毛刺。若電池內(nèi)部出現(xiàn)雜質(zhì)、毛刺或枝晶，經(jīng)過放大和惡化導(dǎo)致電導(dǎo)率升高，溫度上升，化學(xué)反應(yīng)和放電發(fā)熱所產(chǎn)生的熱量不斷累積，最終可能造成電池的熱失控。

一、問題描述

       單只18650圓柱鋰離子電池在23℃環(huán)境下，以2A的恒定電流放電100s，求解整只電池的溫度分布。

二、問題分析

       求取電池的溫度分布，我們需要建立電池的幾何模型、材料模型和邊界條件。18650圓柱鋰離子電池幾何模型很容易建立，材料模型可通過前人的文獻(xiàn)獲取。

三、Abaqus的建模分析

1）建立幾何模型

直徑18mm，長度65mm，建立模型使用m單位，并創(chuàng)建圓柱坐標(biāo)系，結(jié)果如下：

2）建立材料屬性

材料屬性參數(shù)如上所示，結(jié)果如下圖

創(chuàng)建界面屬性并賦給幾何體。

點擊（Assign Material Orientation）設(shè)定材料方向，選擇結(jié)合體，點擊鼠標(biāo)中鍵，選擇創(chuàng)建的圓柱坐標(biāo)系，完成材料方向的設(shè)定。 

3）創(chuàng)建裝配體。

4）創(chuàng)建熱傳導(dǎo)分析步

建立熱傳導(dǎo)分析步，時長為3600s。

步長為60s。

5）設(shè)定表面熱對流條件

側(cè)面

頂面底面

6）創(chuàng)建邊界條件及載荷

創(chuàng)建體熱流（body heat flux），采用用戶自定義的

創(chuàng)建初始預(yù)定義溫度場

創(chuàng)建用戶子程序dflux.for，內(nèi)容如下

7）劃分網(wǎng)格，，單元類型為DC3D8， 網(wǎng)格劃分結(jié)果如下

8）創(chuàng)建分析任務(wù)

 在General 下user subroutine file下選擇創(chuàng)建的用戶子程序。

9）提交任務(wù)，并進(jìn)行后處理，查看溫度分布結(jié)果。

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