基于电化学-热耦合模型的锂离子电池特性分析及结构设计

随着环境问题日益突出以及能源危机持续加剧,发展电动汽车被认为是改善环境和缓解能源危机的重要措施之一。然而扩大电动汽车市场份额的关键因素在于能否降低成本,提升性能、可靠性和安全性,而这些问题又都与电动汽车的储能系统有着密切联系。当锂离子电池作为电动汽车储能系统时,其性能、能量密度、热稳定等直接制约着电动汽车的发展。因此,在确保安全和热稳定性的前提下,开发和设计高性能、高比能量的动力锂离子电池,以及设计一款结构简单、冷却效率高的散热系统一直是学术界和产业界关注的焦点。本文以高比能量的三元型Li[Ni_(1/3)Co_(1/3)Mn_(1/3)]O_2(NCM)/石墨18650锂离子电池为研究对象,并利用COMSOL软件建立18650锂离子电池的电化学-热耦合模型,并通过商用NCM/石墨18650锂离子电池不同倍率充放电和不同温度下的放电来验证所构建的电化学-热耦合模型。利用所建立的电化学-热耦合模型分析了NCM/石墨锂离子电池在脱锂和嵌锂过程中伴随的电化学反应规律和传热传质规律并分析其影响因素。基于电化学-热耦合模型深入分析了电极厚度对放电性能、传质规律以及热生成规律的影响,并探究在不同散热条件下圆柱型锂离子电池的最大上升温度、能量效率、热能转化效率与电极厚度增加的关系。在温度可控的前提下,优化电极厚度提高三元型NCM/石墨18650锂离子电池的比能量。针对高比能量三元型NCM/石墨18650锂离子电池,以COMSOL软件为仿真平台,基于电化-热耦合模型设计并对比分析扁管道圆周部分包绕锂离子电池液体冷却结构和石墨膜导热片完全包绕锂离子电池再与扁管道衔接的导热液体冷却结构。并以温度升高、温差大小、压力损失和冷却效率等为评价指标对所建立散热方案进行比较和筛选,研究结果可为车用圆柱型动力电池模块散热结构的设计和优化提供理论依据。