对锂离子电池进行建模以提升质量和安全性

2014年 7月 18日

对于锂离子电池而言,质量和安全性是最重要的设计要素。Intertek Semko AB 每年要对 20000 个电池做出评估,当然更加理解这一点。

Intertek Semko:电池和燃料电池专家

Intertek Semko AB 成立于瑞典,是 Intertek(天祥)集团的全球众多分支机构的一员。公司主要从事安全和质量保证。他们会测试、检查和验证产品,并帮助客户优化产品设计和制造工艺,以达到特定的质量标准。

电池和燃料电池是 Intertek 擅长的专业领域之一,该公司在此类技术的评估方面拥有五十年以上的宝贵经验,锂离子电池便包含在其中。不过他们没有止步于此,在铅酸、NiCd 和 NiMH 电池技术领域亦有成绩。实际上,他们每年将近评估 20000 个化学成分不同、尺寸各异的电池。

为了配合客户对安全、可靠性和性能的需求,除了测试真实的电池外,Intertek 也使用了大量仿真。他们不仅模拟电池,还模拟燃料电池、电解过程和腐蚀过程(您可以在 Intertek Semko AB 的 COMSOL 认证咨询机构页面上查看完整的建模专业技术列表)。

有关锂离子电池的重要设计考量

锂离子电池建模白皮书中,就职于 Intertek 的 Andreas Nyman 和 COMSOL 的 Henrik Ekström 简要解释了锂离子电池是的工作原理。他们写道:“锂离子电池这一术语涉及了整个电池组的化学物质反应。”

一般概念

此类电池的内部含有非水电解质,这意味着它不含水。在充电和放电过程中,当电流通过电池时,锂离子会在两个电极(分别是阴极和阳极)之间移动,锂离子电池的名字便是由此得到的。电能的吸收和释放发生在这一过程中。锂离子电池的电压取决于每个电极处的锂拥有的化学能的大小。

锂离子电池包
锂离子电池包的几何结构,图片来源于之前发表的一篇博客文章:“锂离子电池模型”。

建模让电池和设备制造商受益

结合仿真结果和实验数据,作者深入研究了电池的各种设计场景,并指出了电池和设备制造商应当考虑到的多个重要方面。

举例来说,电池 制造商应当利用建模来优化真实的电池设计过程。通过创建详细描述相关过程的模型,他们可以测试不同的假设,由此了解到设计中的限制因素,以及如何改进电池单元和模块设计。

电池制造商需要研究以下与性能相关的参数:

  • 不同的几何结构
  • 电解质成分
  • 电极材料
  • 气孔分布

另一方面,通过模拟整个电池系统,设备 制造商也可从仿真中受益:他们能够观察电池与其他产品配合使用时的性能表现。设备各自的工作条件往往不同,因此借助经过验证的模型,应用专家可以确定最适用于特定设备的电池系统。Nyman 和 Ekström 甚至认为,在选择正确的电池,以及设计具有自动控制功能的设备的电池系统方面,仿真发挥了至关重要 的作用。

模型描绘了电池的温度场分布。
示例模型:显示了放电过程中电池内的温度场分布。图片摘自白皮书。

来自专家的第一手锂离子电池建模资料

白皮书向我们展示了由电池、燃料电池和仿真领域的专家撰写的第一手资料。如果电池和设备制造商想要了解更多有关模拟电池系统设计、选型和运行情况带来的优势,白皮书是不二之选。白皮书还提供了许多建模案例,可以帮助您深刻理解电极、电解质、模块和电池组涉及的相关化学反应过程。

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