本科生畢業(yè)設(shè)計：鋰電池的熱分析課件

鋰電池的熱分析華中科技大學能源與動力學院指導(dǎo)老師2015年1月10日研究背景特斯拉電動汽車熱管理的重要性電池性能變差：包括有效能下降（材料發(fā)生變化）和功率下降自放電問題：自放電發(fā)生在不使用的時候，溫度上升會增加自放電，對鋰電池而言，自放電會導(dǎo)致過放電，對電池產(chǎn)生不可逆的破壞

熱失控：當溫度增高時引發(fā)的變化使溫度更進一步的增高，產(chǎn)生惡性循環(huán)，因而導(dǎo)致某一種破壞性的正反饋結(jié)果。鋰電池的最佳工作溫度：20~40℃溫度過高會有的主要問題：溫度過低會有的主要問題：溫度過低也會影響到電池的性能，尤其對于需要適應(yīng)各種環(huán)境的汽車電池而言，低溫下的表現(xiàn)十分重要鋰電池的結(jié)構(gòu)正極：鈷酸鋰錳酸鋰負極：石墨集流體：一般用銅或者鋁隔膜：高分子材料電解液：碳酸酯類溶劑負極石墨都是顆粒狀，熱導(dǎo)率非常低目前研究的現(xiàn)狀Berrnardi等通過假設(shè)電池內(nèi)溫度一致描述了能量平衡。Doyle等發(fā)展了在各向同性條件下鋰/高分子聚合物/植入型電池行為的微觀模型集總參數(shù)模型（LumpedCapacitanceMethod）二維模型坐標系變換極坐標轉(zhuǎn)換成直角坐標正方體電池模型圓柱體模型同心圓柱體模型…認為軸向沒有影響模型建立層數(shù)12345678材料高分子鈷酸鋰銅鈷酸鋰高分子石墨鋁石墨厚度比例14141414熱導(dǎo)率0.31.24001.20.31.02371.0阿基米德螺線二維模型結(jié)果分析：溫度分布溫度分布特點與圓柱模型分布相似穩(wěn)態(tài)溫差并不大（2.52℃）熱點在最內(nèi)一層上結(jié)果分析：熱流分布熱流分布熱流分布特點不同材料間熱流差距大方向差異明顯總熱流先增后減極值點與層厚有關(guān)，受邊界條件影響改變幾何尺寸由于過小的尺寸會影響計算造成無法網(wǎng)格化或者無法計算，因此不改變每層的厚度，改變層數(shù)以達到改變幾何尺寸的結(jié)果溫度隨層數(shù)的變化：隨溫度上升，整體溫度與溫差都會上升最值溫差N=8N=11N=20N=15熱流總體趨勢不發(fā)生大變化：先增加后減小熱流的波動隨幾何尺寸增加而增加熱流大小略有增加法向和切向熱流隨幾何尺寸的變化改變表面對流換熱系數(shù)

右圖表示在正常工作條件下電池溫度（沿半徑取三個采樣點）隨h增大的變化

改變物性溫差最高與最低溫度溫度分布隨熱導(dǎo)提高趨于平緩，溫差下降明顯熱導(dǎo)率如果可以提高10倍到4W/m.K是比較理想的溫度變化熱導(dǎo)率發(fā)生改變時（由于熱性質(zhì)相近，隔膜與電極材料放在一起考慮）熱流方向變化增大電極材料及隔膜的熱導(dǎo)率，計算徑向與非徑向熱流的變化隨著熱導(dǎo)率增加：集流器熱流大小變小集流器熱流方向向法向偏移電極材料與隔膜的熱流基本不發(fā)生變化

如何改變常用的方法：摻雜復(fù)合材料熱導(dǎo)率模型對于摻雜后復(fù)合材料熱導(dǎo)率的的計算有三種模型:使用摻雜的方法達到所需的熱導(dǎo)率需要50%以上的石墨烯，對電極材料會產(chǎn)生影響結(jié)論：常規(guī)的復(fù)合的方法不太現(xiàn)實另外的方法：改變電極材料自身的熱導(dǎo)、高分子導(dǎo)熱材料應(yīng)用等

其中ThelinearRuleofMixtures和TheinverseRuleofMixtures要求材料連續(xù)性良好，電極材料顯然不符合條件電極材料復(fù)合石墨烯對熱導(dǎo)率的影響總結(jié)影響電池熱分布的三個條件：表面對流換熱系數(shù)可以影響溫度大小，不影響溫差與熱流分布常用的方法就是采用水冷或者抽氣風冷的方式，如特斯拉使用鋁管冷卻，管內(nèi)裝有冷卻液材料熱導(dǎo)率效果最好，可以有效展平溫度與熱流分布摻雜效果有限，而且會影響電極材料的表現(xiàn)電池的幾何尺寸減小尺寸可以降低溫度縮小溫差，考慮到實際應(yīng)用電池尺寸的可調(diào)性不大因此綜合考慮，尋找一種新的方法提高電極材料和高分子隔膜的熱導(dǎo)率是未來熱管理的一個重要方向特斯拉電池熱管理系統(tǒng)謝謝感謝老師在整個設(shè)計過程中給予的指導(dǎo)感謝答辯委員會的全體老師的指導(dǎo)BackupS