Test di temperatura della batteria al litio

Test di temperatura della batteria al litio

Le batterie agli ioni di litio presentano numerosi vantaggi, come l'elevata energia specifica, l'elevata potenza specifica e la piattaforma ad alta tensione, e hanno buone prospettive di applicazione nell'accumulo di energia e nei veicoli elettrici a nuova energia. La struttura delle celle delle attuali batterie agli ioni di litio può essere suddivisa in strutture a strati e strutture avvolte. Rispetto alle strutture avvolte, le strutture impilate possono aumentare la capacità della batteria e ridurre la resistenza interna. Tuttavia, questo metodo di disposizione può facilmente portare a una distribuzione non uniforme della temperatura lungo la direzione del piano della batteria durante la scarica ad alta velocità. Per analizzare il problema della distribuzione non uniforme della temperatura della batteria, è possibile creare un modello di simulazione accurato per chiarire le caratteristiche della distribuzione del campo di temperatura, in modo da fornire ai produttori di batterie maggiori informazioni sull'ottimizzazione della struttura della batteria.

È comune utilizzare il metodo degli elementi finiti per l'analisi di simulazione di più campi fisici nelle batterie. Nella modellazione, i ricercatori utilizzano in genere un modello a parametri forfettari non stratificato per analizzare la distribuzione del campo di temperatura delle batterie, accoppiando un modello monodimensionale. Oppure ignorano il gradiente di temperatura lungo la direzione dello spessore della batteria e analizzano solo la distribuzione della temperatura superficiale della batteria. In realtà, le batterie agli ioni di litio hanno una struttura tridimensionale a strati e diverse fonti di calore in diverse parti, il che porta inevitabilmente a una distribuzione non uniforme della temperatura all'interno della batteria. Al fine di prevedere con maggiore precisione l'elettrochimica e la distribuzione del campo di temperatura di ogni strato delle batterie agli ioni di litio, il presente articolo stabilisce un modello di accoppiamento termico elettrochimico tridimensionale a singolo strato basato su un software di analisi del campo multi-fisico e studia le caratteristiche e la distribuzione del campo di temperatura delle diverse parti della batteria su questa base. Il lavoro di ricerca di questo articolo può fornire basi teoriche per l'ottimizzazione strutturale delle batterie agli ioni di litio e per lo sviluppo della gestione termica delle batterie.

1 Modello termico

Questo articolo prende come oggetto di ricerca le batterie agli ioni di litio impilate a forma quadrata. La batteria è composta da 60 coppie di elettrodi impilati insieme, ciascuno dei quali è costituito da cinque parti: collettore di corrente dell'elettrodo positivo, materiale attivo dell'elettrodo positivo, materiale attivo dell'elettrodo negativo e collettore di corrente dell'elettrodo negativo. Durante il processo di scarica, la corrente passa attraverso l'orecchio dell'elettrodo negativo, attraversa il diaframma e gli elettrodi positivo e negativo, e infine esce dall'orecchio dell'elettrodo positivo. Durante questo processo, si osservano complesse reazioni chimiche ed elettrochimiche e processi di trasporto dei materiali, che portano a cambiamenti nel campo della temperatura interna della batteria. In risposta a questo fenomeno, questo articolo stabilisce un modello di accoppiamento termico elettrochimico tridimensionale accoppiando massa, carica, conservazione dell'energia e cinetica elettrochimica. Ha studiato le caratteristiche elettrochimiche e termiche della batteria durante il processo di scarica.

2 Prova

Nel modello di distribuzione tridimensionale, ci concentriamo sulle caratteristiche di distribuzione interna del sistema elettrochimico, tra cui la distribuzione del potenziale, la distribuzione del SOC, la distribuzione della densità di corrente e la distribuzione della concentrazione di ioni di litio. A causa della difficoltà di misurare le caratteristiche di distribuzione elettrochimica delle batterie tramite esperimenti, questo articolo le verifica confrontando le caratteristiche elettrochimiche esterne delle batterie. La piattaforma di prova comprende principalmente la camera ad alta e bassa temperatura DGBELL, l'armadio di carica e scarica e il software di simulazione del campo multi-fisico. Prima del test, caricare la batteria a piena carica con una corrente di 1 C e lasciarla riposare per 1 ora. Quindi, eseguire una scarica a corrente costante di 1 C e 2 C sulla batteria e registrare le variazioni di tensione durante il processo di scarica. Dopo aver confrontato i risultati della simulazione e quelli sperimentali, si può notare che la coerenza tra i risultati sperimentali e quelli della simulazione è buona e che l'accuratezza del modello è stata verificata.

2.1 Distribuzione della densità di corrente

La distribuzione della densità di corrente sui collettori di corrente positivi e negativi della batteria alla fine della scarica a 2 C. Durante il processo di scarica, tutta la corrente fluisce dal circuito esterno all'orecchio dell'elettrodo negativo e si distribuisce nell'area di raccolta della corrente negativa. All'aumentare della distanza dall'elettrodo negativo, la densità di corrente diminuisce gradualmente. Questo perché una parte della corrente che fluisce nell'orecchio del polo scorre perpendicolarmente alla direzione della struttura a sandwich. La corrente che scorre nella cella della batteria è chiamata corrente di lavoro locale, che trasferisce le cariche coinvolte nella reazione elettrochimica dall'elettrodo negativo all'elettrodo positivo. Durante il funzionamento della batteria, una distribuzione non uniforme della corrente di lavoro locale può portare a una sovraccarica o a una scarica locale, compromettendo così la sicurezza e la durata della batteria. Pertanto, la comprensione di questo parametro chiave è estremamente importante.

Durante il processo di scarica, la densità di corrente di reazione nella regione dell'orecchio polare passa dal valore massimo al valore minimo. Ciò può essere dovuto al fatto che durante il fascio di scarica, gli ioni di litio nell'elettrolita nella regione dell'orecchio polare sono quasi esauriti, riducendo così il tasso di reazione elettrochimica in prossimità dell'orecchio polare. Al termine della scarica, si è registrato un gradiente significativo nella densità di corrente di reazione della batteria, che può essere dovuto alla polarizzazione di grande concentrazione della batteria nella fase successiva della scarica, con conseguente distribuzione di un gradiente significativo della densità di corrente di reazione. Tuttavia, durante il processo di scarica, il gradiente della densità di corrente di reazione dell'elettrodo non è significativo, il che indica che il tasso di reazione elettrochimica all'interno dell'elettrodo è sostanzialmente stabile.

2.2 Distribuzione del potenziale

L'uniformità della distribuzione del potenziale influisce sulle prestazioni delle batterie. L'elevato potenziale locale della batteria può portare a una grave disuniformità nelle prestazioni delle piastre, riducendo le prestazioni della batteria. Durante la scarica 2C, la distribuzione del potenziale in fase solida dell'anodo e del catodo indica l'esistenza di una distribuzione significativa del gradiente di tensione durante il processo di scarica. Durante la scarica, la corrente entra nella batteria dall'elettrodo negativo e poi esce dall'elettrodo positivo. Secondo la legge di Ohm, il potenziale diminuisce nella direzione della corrente. Pertanto, il potenziale più alto dell'anodo si trova sull'orecchio dell'elettrodo negativo, mentre il potenziale più basso del catodo si trova sull'orecchio dell'elettrodo positivo. Inoltre, a causa dell'accumulo di corrente che entra o esce dalla batteria in corrispondenza delle orecchie dell'elettrodo, la variazione di potenziale nell'area di connessione tra le orecchie dell'elettrodo e la piastra dell'elettrodo è molto irregolare, mentre la distribuzione del potenziale nelle parti rimanenti della piastra dell'elettrodo è relativamente uniforme.

2.3 Analisi delle caratteristiche di temperatura

La scarica delle batterie agli ioni di litio è un tipico processo transitorio di conducibilità termica che a volte varia a causa di una fonte di calore interna. Distribuzione del campo di temperatura di batterie con diverse profondità di scarica in condizioni di scarica a 2 C. Durante il processo di scarica, la temperatura della batteria aumenta continuamente. Tuttavia, il tasso di aumento della temperatura della batteria non è lo stesso nelle diverse posizioni. Nella fase iniziale della scarica, il tasso di aumento della temperatura vicino all'area dell'orecchio del polo è più alto, mentre il tasso di aumento della temperatura lontano dall'area dell'orecchio del polo è più basso.

Man mano che il processo di scarica si approfondisce, il tasso di aumento della temperatura lontano dalle orecchie dell'elettrodo aumenta, probabilmente a causa dell'esaurimento degli ioni di litio nelle orecchie dell'elettrodo nella fase successiva della scarica, con conseguente diminuzione della densità di corrente di reazione nell'area delle orecchie dell'elettrodo e una diminuzione del tasso di generazione di calore ohmico. Tuttavia, nella zona inferiore della batteria, a causa del basso consumo di flusso nella fase iniziale della scarica degli ioni di litio, il contenuto di ioni di litio è relativamente abbondante nella fase successiva della scarica e il numero di ioni di litio che partecipano alla reazione aumenta in modo significativo, con conseguente aumento della densità di corrente di reazione nella zona inferiore della batteria e aumento del tasso di generazione di calore ohmico nella fase successiva della scarica. Durante il processo di scarica, la densità di corrente di reazione nella regione dell'elettrodo positivo è passata dal valore massimo al valore minimo, a ulteriore conferma dei risultati della simulazione.

3 conclusione

Questo articolo propone un modello di accoppiamento elettrochimico tridimensionale che unisce le equazioni di massa, carica, energia e cinetica elettrochimica. Utilizzando questo modello, è stata studiata la distribuzione spazio-temporale delle caratteristiche termiche delle batterie agli ioni di litio impilate. Le principali conclusioni sono le seguenti:

(1) Analizzare accuratamente le variazioni del campo di temperatura e le caratteristiche di generazione di calore di una batteria agli ioni di cedro tridimensionale ed elettrochimica accoppiata termicamente.

(2) Stabilendo un modello di accoppiamento termico elettrochimico tridimensionale, i metodi sperimentali tradizionali possono ottenere risultati difficili da ottenere, come la distribuzione locale del potenziale e la distribuzione della densità di corrente delle batterie

(3) Durante il processo di scarica a corrente costante, all'interno della batteria si verifica un significativo gradiente di temperatura, soprattutto nella zona di transizione tra l'orecchio e la piastra, dove il gradiente di temperatura varia maggiormente.

(4) Il tasso di aumento della temperatura della batteria nelle diverse posizioni durante il processo di scarica non è lo stesso. Nella fase iniziale della scarica, il tasso di aumento della temperatura nella zona dell'orecchio polare è il più alto, mentre il tasso di aumento della temperatura nella zona inferiore della batteria, lontano dall'orecchio polare, è relativamente basso. Tuttavia, si osserva una tendenza all'aumento nella fase successiva di scarica. Il modello termico elettrochimico tridimensionale stabilito in questo articolo fornisce un metodo efficace per osservare il comportamento elettrochimico e termico interno delle batterie agli ioni di litio e ha buone prospettive di applicazione per guidare la progettazione dell'ottimizzazione delle strutture dei monomeri delle batterie al litio