基于電化學(xué)—熱耦合模型的鋰離子動(dòng)力電池放電行為研究.pdf

1、高性能鋰離子動(dòng)力電池的研究和開發(fā)是新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的迫切需求，也是國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。本文旨在基于電化學(xué)與熱能的耦合關(guān)系，建立合理可靠的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行全面而細(xì)致的鋰離子動(dòng)力電池放電過程的電化學(xué)和熱行為研究。探討電池的電化學(xué)反應(yīng)和擴(kuò)散遷移行為與溫度、材料設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)之間的關(guān)系，揭示放電倍率、對(duì)流冷卻條件等對(duì)溫度場分布的規(guī)律，研究優(yōu)化電池模塊溫度分布的相關(guān)設(shè)計(jì)，為動(dòng)力電池的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。主要研究成果如下:
　　

2、(1)針對(duì)鋰離子電池內(nèi)部電化學(xué)與熱能相互影響的特點(diǎn)，通過參數(shù)實(shí)時(shí)傳遞的方式，實(shí)現(xiàn)了一維電化學(xué)與三維熱模型的耦合計(jì)算，得到單一模型無法獲悉的更為全面和細(xì)致的電化學(xué)與溫度場分布的信息。結(jié)果表明溫度會(huì)影響電壓平臺(tái)以及活性物質(zhì)利用率，而電化學(xué)反應(yīng)對(duì)溫度的影響主要體現(xiàn)在小倍率放電時(shí)。
　　(2)研究了放電過程的電化學(xué)反應(yīng)速率和傳質(zhì)過程。放電過程中，電化學(xué)反應(yīng)速率在電極的不同位置存在差異，會(huì)形成電化學(xué)極化。放電開始時(shí)，電極靠近隔膜位置的反應(yīng)速

3、率最高，集流體附近反應(yīng)速率最低，隨著放電過程的深入，靠近隔膜端的反應(yīng)速率逐漸降低，而集流體端的反應(yīng)速率逐漸升高，反應(yīng)速率最快的點(diǎn)逐漸向集流體端移動(dòng)。傳質(zhì)速率的差異會(huì)造成擴(kuò)散極化，正負(fù)電極均存在固相擴(kuò)散極化和液相擴(kuò)散極化，并且隨著放電過程的深入，固液相擴(kuò)散極化均在增大。電極活性物質(zhì)顆粒粒徑對(duì)固相擴(kuò)散有很大影響;電極厚度則是影響液相擴(kuò)散極化的一個(gè)主要因素。
　　(3)揭示了放電倍率、冷卻條件對(duì)單體電池溫度場分布的影響。通過對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)

4、，改善電池的冷卻環(huán)境能夠有效降低放電過程的平均溫度。電池處于自然對(duì)流(h=5W/(m2·K)的環(huán)境，1C、3C、5C放電結(jié)束時(shí)，電芯的平均溫升為分別為6.46K、17.67K、27.53K;置于強(qiáng)制對(duì)流(h=25W/(m2·K)的條件下，溫升比自然對(duì)流條件下相同倍率放電時(shí)的溫度分別降低了2.91K，4.68K，5.62K。放電過程中，正極耳的平均溫度最高，負(fù)極耳次之，電芯的平均溫度最低，最高溫度在電芯與極耳的連接處。由于電芯熱阻較大，增

5、加對(duì)流傳熱過程的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)會(huì)加劇電芯內(nèi)外表面溫度分布的不一致性。
　　(4)發(fā)展了優(yōu)化電池模塊溫度場分布的方法。系統(tǒng)研究了對(duì)流換熱系數(shù)、散熱板對(duì)模塊溫度場的影響，為動(dòng)力電池模塊溫度場優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。對(duì)流換熱系數(shù)能夠顯著影響動(dòng)力鋰離子電池模塊的平均溫度，但隨著對(duì)流換熱系數(shù)的增大，電池模塊的溫度均勻性變差。對(duì)流換熱系數(shù)為5W/(m2·K)時(shí)，電池溫度范圍為319.36 K～320.27 K，非均勻性度為0.45％，對(duì)流換熱系數(shù)為1