采用comsol軟件對鋰離子電池特性模擬的初步研究

1、2010年中國區(qū)用戶年會采用COMSOL對鋰離子電池特性模擬的初步研究，電源，電源(TIPS)是我國電能源領(lǐng)域起步最電源早、規(guī)模最大、方向最全的電能源技術(shù)綜合研究所。從事基礎(chǔ)研究、技術(shù)開發(fā)和小規(guī)模生產(chǎn)?，F(xiàn)有職工1300余人，40余名正高級研究?，F(xiàn)設(shè)有12個研究室。產(chǎn)品涉及30余個系列，400余種。最成功的技術(shù)轉(zhuǎn)化是創(chuàng)立了力神電池公司。研究方向化學(xué)與物理電源先進化學(xué)電源先進物理電源評估仿真儲能材料及電 化學(xué)柔性薄膜 太陽電池PEMFC & RFC模擬仿真材料、電池評估光電轉(zhuǎn)換技術(shù)微電源系統(tǒng)新型化學(xué)電源想做什么？鋰離子電池模擬仿真鋰離子電池的充放電行為模擬鋰離子電池的熱及安全性模擬鋰離子電池結(jié)構(gòu)設(shè)

2、計-集流、應(yīng)力電池模擬仿真金屬空氣電池模擬仿真電池模擬仿真材料設(shè)計為什么開展此項研究？鋰離子電池具有高比能特點，但也存在安全隱患！模擬仿真是電池設(shè)計及安全性的一種有效！初步進展鋰離子電池的電-熱耦合模擬J.R. E. White模型簡單模擬模型鋰離子電池的熱模擬絕熱實驗熱箱實驗其它集流體電熱分布接線柱電熱分布拉伸與內(nèi)壓電-熱耦合模擬簡單模擬所需物理場模型：314312或熱傳遞-靜態(tài)電熱傳遞310308所需參數(shù)：內(nèi)阻/電導(dǎo)率，dU/dT, 熱傳遞系數(shù)，熱容，熱傳導(dǎo)系數(shù)， 密度，3063043023002980200400600Time/s800100012001200s溫度分布18650電池3A

3、放電1200sTemperature/K電-熱耦合模擬J.模型模擬鋰離子充放電過程，了解電池中各種物理化學(xué)變化所需物理場模型：PDE方程（2）， 擴散（2）， 熱傳遞所需參數(shù)：孔隙率， 粒徑， 表面積，dU/dT ， 充放電曲線 ， 擴散系數(shù)（液相，固相） ，電導(dǎo)率（液相，固相） ，電化學(xué)反應(yīng)系數(shù)，熱傳遞 系數(shù)，熱容，熱傳導(dǎo)系數(shù)，密度公式: S ieff11a loc2RTeff ln f1 t ln c2 Sailoc 2 1 eff22 ln c2 F c Sailoc 1 t dc2 dteff D222FTtC(KT ) QpT UQ S i U S i eff eff a loc12

4、a locT1112222RTeff ln f1 t ln c2 2 2 1 ln c2 Fi kcc c cexp RT F F U U exp maxaacacloc21111212RTdc1 1 (r 2 D (c ) 0dtr 2 rp1 r1ppp電-熱耦合模擬J.模型4.34.24.14.03.93.8010002000Time/s30004000電池電壓2430扣式電池9A/m2放電1500s，300s, 9A/m2充電1500sPotential/V電-熱耦合模擬J.模型278277276275274273010002000Time/s30004000電池溫度Temperatu

5、re/K 電-熱耦合模擬J.模型負(fù)極濃度正極濃度電解液濃度電-熱耦合模擬J.模型4.2292m1A/m22904.0m 1A/m25A/m210A/m220A/m240A/m228825A/m10A/m22863.8220A/m28440A/m23.62822803.42782763.22743.00.00.00.51.01.52.02.53.03.50.51.01.52.02.53.03.5Capacity/mAhCapacity/mAh2923.62902883.42863.22842823.0倍率放電過程2802.82782762.62740510152025303540Current

6、density/Am-20510152025303540Current density/Am-2Potential/VDischarge capacity/mAhTemperature/KTemperature/K電-熱耦合模擬R. E. White 模型模擬鋰離子充放電過程，了解電池中各種物理化學(xué)變化所需物理場模型：PDE方程（3）， 擴散（1）， 熱傳遞所需參數(shù)：孔隙率， 粒徑， 表面積，dU/dT ， 充放電曲線 ， 擴散系數(shù)（液相，固相） ，電導(dǎo)率（液相，固相） ，電化學(xué)反應(yīng)系數(shù)，熱傳遞系數(shù)，熱容，熱傳導(dǎo)系數(shù)，密度公式: S ieff11a loc2RTeff ln f1 tln c

7、S i 2 eff1 2F22a loc ln c2 c Sailoc 1 t dc2 dteff D222FTtC(KT ) QpT UQ S i U S i eff eff a loc12a locT1112222RTeff ln f1 t ln c 2 1 ln c22F2 i kcc c ce F U F U exp maxaxpacac RTloc21111212RTc ave3S iaveilocrp 1 a loc c1 c1 tF5FD1 電-熱耦合模擬R. E. White 模型4.24.14.03.93.8010002000Time/s30004000電池電壓2430扣式電

8、池9A/m2放電1500s，300s, 9A/m2充電1500sPotential/V電-熱耦合模擬R. E. White 模型277276275274273010002000Time/s30004000電池溫度Temperature/K 電-熱耦合模擬R. E. White 模型正負(fù)極濃度電解液濃度電-熱耦合模擬R. E. White 模型2924.2White m1A/m25A/m210A/m220A/m240A/m2290White m1A/m24.028825A/m286210A/m20A/m3.8228440A/m23.62822803.42783.22762743.00.00.51

9、.01.52.02.53.00.00.51.01.52.02.53.0Capacity/mAhCapacity/mAh3.052922903.002882.95286倍率放電2842.902822.852802782.802762.7527405101520253035400510152025303540Current density/Am-2Current density/Am-2Capacity/mAhPotential/VTemperature/KTemperature/K熱模擬Thermal simulation熱測試模擬正極/負(fù)極結(jié)果動力學(xué)計算全電池/半電池測試模擬與測試實驗對照帶電

10、解液測試電池結(jié)構(gòu)&各種參數(shù)DSC& ARC電池模型數(shù)據(jù) & 方程電極材料熱模擬模擬電池的熱行為和安全性所需物理場模型：PDE方程(n)， 熱傳遞(1)公式：Tt C (K T ) Qipii所需參數(shù)：熱傳遞系數(shù)，熱容，熱傳導(dǎo)系數(shù)， 密度，活化能，指前因子，反應(yīng)級數(shù)，反應(yīng)焓 Aexp xdx1Ean (1 x )aRT11dtdxEn Aexp a x(1 x)a2 dt22RT .dx R實例中選擇6組反應(yīng)速率方程：正極 1組， 負(fù)極 2組， 電解液 3組dtQ Hi i Rii熱模擬絕熱實驗Li-Co-O/C電池363K溫度4.05103.24802.44501.64200.83900.03

11、600100002000030000Time/s400005000060000Temperature/KTemperature rate/K/sTemperature Temperature rate熱模擬絕熱實驗Li-Co-O/C電池363K電極濃度電解液濃度4.00.008Temperature itiveNegativeElectrolyte SEIGasifing Solvent3.20.000150.140.0060.122.40.000100.100.080.060.0040.000050.041.60.020.000000.00370 380390 400 410420 4304

12、404500.0020.80.00.000360380400420440460480500520Temperature/KTemperature rate/K/sReaction rate/s-1熱模擬絕熱實驗LiFePO4/C電池398K溫度1.65401.41.25101.04800.80.64500.44200.20.0010000200003000040000Time/s500006000070000Temperature/KTemperature rate/K/sTemperature Temperature rate熱模擬絕熱實驗LiFePO4/C電池398K電極濃度電解液濃度1.

13、50.006Temperature itiveNegation Electrolyte SEIGasifing Solvent0.0051.20.150.000150.120.000120.0040.090.000090.90.060.000060.0030.030.000030.60.000.000000.0024004204404604805000.30.0010.00.000400420440460480500520540560Temperature/KTemperature rate/K/sReaction rate/s-1熱模擬絕熱實驗LiFePO4/Li-Ti-O電池413K溫度0

14、.054904800.044700.034604500.024404300.014200.004100100002000030000Time/s400005000060000Temperature/KTemperature rate/K/sTemperature Temperature rate熱模擬絕熱實驗LiFePO4/Li-Ti-O電池413K電極濃度電解液濃度0.050.014Temperature itiveNegative Electrolyte Surface Gasifing Solvent0.00300.00040.0120.040.00250.00030.0100.0020

15、0.030.00150.00020.0080.00100.00010.0060.00050.020.00000.00000.004420430 440450 460470 4804900.010.0020.000.000410420430440450460470480490Temperature/KTemperature rate/K/sReaction rate/s-1熱模擬熱箱實驗Li-Co-O/C電池413K溫度5002.01.64501.24000.83500.40.0300020004000Time/s60008000Temperature/KTemperature rate/K/s

16、Temperature Temperature rate熱模擬熱箱實驗Li-Co-O/C電池 413K電極濃度電解液濃度熱模擬熱箱實驗LiFePO4/C電池468K溫度5500.350.305000.254500.200.154000.103500.050.003000150030004500Time/s600075009000Temperature/KTemperature rate/K/sTemperature Temperature rate電極濃度電解液濃度熱模擬熱箱實驗LiFePO4/Li-Ti-O電池468K溫度0.205104800.164500.124200.083900.04

17、3600.00330-0.0430001500300045006000Time/s75009000Temperature/KTemperature rate/K/sTemperature Temperature rate熱模擬熱箱實驗LiFePO4/Li-Ti-O電池468K電極濃度電解液濃度468K0.200.000750.150.00060Temperature itiveNegative Electrolyte Surface Gasifing Solvent0.100.000450.000300.050.000150.000.00000-0.05300330360390420450480510Temperature/KTemperature rate/K/sReaction rate/K/s集流體電熱分布溫度分布18650 銅箔集流體1A 10s電流密度分布所需物理場模型：靜態(tài)電， 熱傳遞