锂离子电池设计中的热分析

2014年 10月 9日

对于锂离子电池的性能而言,热管理是一项需要考虑的重要因素。您可以利用模拟和仿真来分析热在能源内的传递,进而改进设计流程。

关注的原因

您可能经常听到锂离子电池这一术语,也可能没听过,不论情况如何,在您与他人的日常联络中,它发挥着积极的作用。这些重量轻,同时又可重复充电的电池常用于各类消费电子产品,包括笔记本电脑和手机。由于锂离子电池的能量密度较高,它甚至开始用于工业及运输业。

手机中的锂离子电池。
手机中的锂离子电池(“NOKIA® 电池” – 图片由 Kristoferb 拍摄。已获得 Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 授权、通过 Wikimedia Commons 分享。)

随着这类设备使用的增长,对其安全性的关注也日益提升。就像在之前一篇博客中所提到的那样,去年,一架新型波音 787 梦想客机因锂离子电池过热而起火,所有梦想客机都因此被迫临时停飞。《Design News》杂志去年也曾报道过三菱汽车内的锂离子电池过热问题(点击阅读该篇报道)。

这两篇不同的头条报道都提出了同样一个问题 – 热对锂离子电池安全性和使用寿命的影响。

热会如何影响锂离子电池?

要回答这一问题,重要的一点就是要理解这背后的原因。

让我们首先从电池的设计开始。 锂离子电池由两个电极和一个允许离子移动的非水电解质组成。充电时,锂离子从阴极流过电解质,随即被碳基阳极的晶体结构捕获。放电时,过程会反转,这些离子发生回流,并带来反向电流为设备电路提供能源。

在这一类似电流流经导线的过程中,电解质产生内部电阻并带来焦耳热。设计锂离子电池时,能够快速消散这些热非常重要,只有这样,电池才不会达到会发生分解的高温。正如在这份有关 模拟锂离子电池的白皮书中所指出的那样,分解反应会放热,也就是说,一旦这一过程开始,温度就会持续上升并加剧分解反应,这就是热失控现象。热的逸散就是一种潜在的火灾危险来源。

通过模拟与仿真改进锂离子电池设计

在 COMSOL Multiphysics 的帮助下,您可以观察并更好地理解锂离子电池内的温度分布。在电池与燃料电池模块中的三维柱状锂离子电池的传热模拟中,耦合了锂离子电池的传热化学和离子流动。使用共轭传热接口研究了该三维锂离子电池传热模型中的空气冷却。

锂离子电池的几何。
传热模型的组成部分。

下面的模型显示了经过 1,500 秒的充电后,电池温度和流动的流线。最高温度位于电池活性材料中,越靠近热绝缘端的温度越低。因此,电池中的该区域更容易发生老化和降解。

模型显示了锂离子电池中的温度和流动。
锂离子电池中的温度分布。

结束寄语 — 自己动手仿真

在锂离子电池设计的优化中,模拟与仿真是一项非常有用的资源。通过分析电池工作时的热传递,研究和制作人员能够提升电池的性能,并为研发一种更安全、更持久的技术铺平道路。

下载模型文件,自己动手仿真:三维柱状锂离子电池的传热模拟


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