COMSOL Multiphysics对锂离子电池的热失控模拟

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1、COMSOL Multiphysics对锂离子电池的热失控模拟 ; COMSOL Multiphysics对锂离子电池的热失控模拟仿真揭示了，放热条件可能导致热引燃。在锂离子电池的开发过程中，平安设计与评估在预防热失控引起的着火等问题中发挥着重要的作用。我们使用模拟技术，如COMSOL Multiphysics来了解各种现象对锂离子电池的影响，评估电池的平安性。本文介绍了一种建模的办法来测试在锂电池里的化学反馈放热的平安性。如果释放的热量比由内部和外部放热产生的热量大，电池将会是热稳定的状态。如果释放的热量少，温度就会稳步回升并导致热失控。我们的模拟着眼于使用热分析来评估热失控条件。考虑了三种

2、放热形式： 使用加热箱和加速量热仪ARC的外部加热 化学反馈热降解反馈，焚烧等产生的内部热量，和 热热传导、辐射。如果释放的热量比由内部和外部放热产生的热量大，电池将会是热稳定的状态；如果释放的热量少，温度就会稳步回升，并将导致热失控。在加热试验的模拟中，外部热源使用加热箱供热。 图1.活性材料的热化学反馈DSC测量 一种反馈热模型当模拟化学反馈产生的内部热时，有几个物理现象必须考虑。首先，别离膜和电解质的热降解，这将影响电导率。其次，负极的电解质反馈，波及多种反馈，不能用单一反馈来描述。本研究中，反馈分两步进行：固体电解质接触面SEI和通过SEI的负极电解质反馈。最后，在模型中也包含了正极电

3、解质反馈。COMSOL Multiphysics是电池分析的理想平台。 表1.分析条件18650圆柱形电池我们进行了一系列在匀速升温的化学反馈的差示扫描量热仪分析DSC来获得参数拟合的反馈热模型。图1显示的是一个DSC测量的例子，一个1小时温度升高的过程5C/分钟，其中正电极是LiCoO2，负电极是碳，电解液是一种碳酸乙烯EC和碳酸二乙酯DEC的混合物。从图一中DSC测量的结果看出，生热率系数单位时间单位体积产生的热量随温度变化的曲线。 图2. 利用反馈速率公式计算的在升温过程中(5C/min)的反馈比率分析图二显示了各种材料在升温过程中的反馈率，分析使用了由实验得来的峰值拟合反馈率计算公式。

4、第一个发生的反馈是在SEI和负极之间，紧随其后的是在温度范围100-200C下的电极电解液反馈。SEI膜的厚度抑制负极的反馈率，但是这个反馈率由于反馈的进行(150C to 200C)仍然是增长的，这里反馈和然后直接参与电解液的反馈是迅速增长的(200C 250C)。 平安试验模拟通过反馈速率公式，我们进行了参数拟合。分析了一种18650圆柱形电池，它有一个LiCoO2正电极，碳负电极，EC和DEC混合的电解液。这些模拟，材料属性的密度，比热，在电极外表传热系数和其他材料等，都采用正极板，负极板和阻隔阂测量值的平均值。对于垂直于电极外表的区域，我们使用复合薄膜的热扩散系数。我们将从电池外表的热

5、释放表示为热传导和热辐射的总和。传热系数依赖于通风条件，热辐射依赖于外表材料。我们通过拟合加热箱实验测得的外表温度变化来确定热传导和热辐射系数。表1列出了分析条件。 图3. 电池外表温度随时间在目标温度：145C, 153C和155C下加热测试模拟的变化图图3显示了加热测试模拟的结果。气温回升并且维持在不同的温度点。在一个145C的目标温度，我们观测到一些自加热效应，但是温度是稳定的，没有产生热失控。然而，在155C时，热失控发生，外表温度急剧回升。在153C的目标温度下，外表温度回升然后又稳定下来了。然而，随着化学反馈的进行，外表温度回升到超过100C，这即是我们用来判断有效地形成了热失控的

6、依据。 图4.在目标温度为155C上图热失控开始时内部温度和负电极的反馈比的等值面下图图4显示了在热失控发生于155C的目标温度时的内部温度分布和负电极反馈率分布。电池的中央局部是最热的，在电池两端和中间的温差到达了80C。来自ARC的使用同类型电池测试的结果显示自加热在温度高于73C后被观测到，热失控开始于150C。这些结果说明通过模拟得到的热失控的温度预测是正确的。 图5. 一个内部短路产生热量20W上派和100W下排的热失控引起的随时间变化的温度分布(颜色等高线)和负电极反馈率的等值面图5展示了一个延伸的平安研究，这里我们研究由于内部短路引起的灾难。显示在热失控下经过一段时间的温度分布和

7、在内部各自短路产生的热源为20W以及100W下时负电极反馈率的等值面。几十秒钟后，一个宽的反馈区被观测到从中芯附近向电池两端移动。 延伸的电池分析COMSOL Multiphysics是一款理想的电池分析平台，可以考虑在不同的尺度下的多物理场耦合分析，比方对化学反馈模型公式的修改，为电流分布分析的积分边界条件的使用，对不同区域不同物理现象的分析。通过正确地模拟所有与锂离子电池加热和冷却相关的物理现象，我们能够将研究范围扩展到锂电池可能引起的灾难。COMSOL在中国，COMSOL Multiphysics是一款业界当先的科学仿真软件，中仿科技公司(CnTechCo.,Ltd)凭借个性化的解决计划

8、、成熟的CAE产品线、专业的市场推广能力以及强有力的技术支持效劳赢得了国内众多科研院所以及企业的一致认可，目前国内几乎所有出名大学以及中国科学院旗下各研究所都已选择使用COMSOL Multiphysics作为其科研分析的CAE主要工具。随着中仿科技公司(CnTechCo.,Ltd)在全国的各分公司、CAE技术联合中心，CAE培训中心的成立，提供更专业的更周到的本地化技术效劳，目前众多企业也纷纷选用COMSOL Multiphysics作为企业的分析工具,应用全球最先进制造技术，最终增强企业的核心竞争力，保证了企业持续开展。关于COMSOLCOMSOL公司在1986年成立于瑞典的斯德哥尔摩，目

9、前已在比利时、丹麦、芬兰、法国、德国、挪威、瑞士、英国和美国麻州、加州等成立分公司。COMSOL公司是全球多物理场建模与仿真解决计划的开拓者和领导者，它的旗舰产品COMSOL Multiphysics，使项目师和科学家们可以通过模拟，赋予设计理念以生命。它有无与伦比的能力，使所有的物理现象可以在计算机上完美重现。COMSOL的用户利用它提高了手机的接收性能，利用它改良医疗设备的性能并提供更准确的诊断，利用它使汽车和飞机变得更加平安和节能，利用它寻找新能源，利用它探索宇宙，甚至利用它去培养下一代的科学家。关于公司的其他信息可以参见www sol 关于中仿科技中仿科技(CnTech)是中国区当先的

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