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如何模拟锂离子电池中的短路
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发布时间:2019-08-14 作者:正脉科工有限元分析部 浏览数:4008

  电池短路是个坏消息:储存在电池中的化学能会以热量的形式损失掉,而不是用来给设备供电。短路会产生强烈的热量,这会降低电池材料的质量,或者由于热失控导致火灾或爆炸。为了避免导致器件短路的情况,并确保短路不会导致不安全的工作条件,我们可以使用COMSOL Multiphysics软件研究锂离子电池设计。

  电池短路是如何发生的?

  电池将储存的化学能转化为电能。在正常操作中,电化学反应发生在两个电池电极上:还原发生在阴极,氧化发生在阳极。放电时,正极作为阴极,负极作为阳极;在充电过程中,电极互换角色,因此正极是阳极,负极是阴极。

  在一个电极上,电子被释放到电路中,而在另一个电极上,电子被电路吸收。整个有利的化学反应是由流经电路的电流介导的,因此无论我们给什么设备供电——例如,马达或灯泡——都可以从电池中回收能量。

图为一个电池供电的灯泡

  由电池供电的灯泡。

  每当电子可以在电极之间流动而不通过连接到被供电设备的电路时,就会发生短路。因为这些电子不需要做机械功,所以对电流的阻力要小得多。结果,化学反应将迅速进行,电池将开始自放电,失去化学能而没有做任何有用的工作。短路下的大电流又导致电阻加热(焦耳加热)的电池,这会损害设备。

  电池的机械损坏是短路的原因之一。如果异物穿透电池组,或者电池组被压扁而损坏,它会提供内部传导路径,造成短路。锂离子电池的一个标准安全测试是“钉子测试”,在这种测试中,钉子被钉入电池以产生短路。

  为了通过测试,电池必须在短路时放电,内部电流不会产生电阻加热,从而导致火灾或爆炸。电流在多孔电解质和电解质(隔板)中从正极流向负极,从负极流向正极。钉子作为外部电路以非常小的负载传导电流,而钉子周围的区域表现为放电过程中的状态(参见中的图5电池内部的电流会倒流吗?)。

带注释的图像表示指甲穿透电池测试

  钉子穿透电池测试示意图。放大的横截面显示了钉子和电极之间的接触面积以及电流的方向。

  电池的化学性质也会导致内部短路。对于锂离子电池,最常见的机制之一是通过锂盐的沉积形成树枝状锂金属。虽然锂原子通常应该安全地嵌入电极材料中,但是会形成游离锂金属。像大多数金属一样,锂比电池中使用的氧化物材料和电解质更具导电性。当锂金属在电池中生长时,这就产生了一个问题,在电池中锂金属可以连接两个电极,因为它提供了从一个电极到另一个电极的极好的导电路径,并产生短路。

  让我们看看如何使用COMSOL Multiphysics在锂离子电池中建立短路模型。

  锂离子电池典型短路建模

  在锂离子电池内部短路教程模型,我们使用COMSOL Multiphysics来预测与内部短路相关的电流和局部加热。短路是由连接正极和负极材料的微米级锂丝引起的。注意灯丝只连接正极和负极:它不像上面的钉子那样穿透电极。在这个例子中,与总电池容量相比,短路电流预计是适度的,因此工作电池电压不会受到局部短路的显著干扰。

  在这个示例模型中,我们使用熟悉的纽曼模型(参见模型文档中的参考资料)来研究锂离子电池化学。首先,我们实现了预先构建的锂离子电池电池和燃料电池模块中的接口。该理论模型使我们能够考虑浓锂电解质溶液中电荷和质量传递的综合效应,以及固体电极材料和集电器中的电流流动。我们使用电极材料颗粒表面的锂插入动力学以及固体锂在电极颗粒内的扩散模型来描述电池反应。在此阅读纽曼模型及其可能扩展的更多信息。

  然后我们使用电极域特性,它描述了传统的金属导体,如集电器。该特征也可用于描述导致短路的金属区域,如锂灯丝。回到我们的电池模型,锂的电导率约为107虽然略小于铝或铜,但这仍然比锂电极材料(100秒/米)和锂电解质(3C 1秒/米)的典型电导率高几个数量级。然后,我们计算电池热源,并将其耦合到固体中的热传递分析,它解决了热量方程,这样我们就可以预测温度。接下来,我们添加一个预构建的电化学热源多物理特性直接包括这种耦合。集电器被认为是具有大热容量的良好散热器,为短路产生的热量提供了散热途径。反过来,电极动力学和材料特性也随着电池中每个点的计算温度而变化。

  分析结果

  下图使用北极光颜色表显示短路0.01秒后的局部电极荷电状态。由于电池的自放电,可用的锂在负电极中被大量耗尽(颜色条中几乎为0),并在正电极中积累(颜色条中几乎为1)。与电池的预期能量含量相比,这表示容量损失。该图还显示了灯丝中的电势(红色高,蓝色低的彩虹)以及孔电解质和电解质隔板中的电流密度(白色箭头)。电解质电势显示为等电势表面(彩虹),电流密度箭头垂直于电解质中各处的等电势。所涉及的过程和现象几乎与上述钉壳相同,只是灯丝不穿透电极:它与电极表面进行电子接触,而不在电极上打孔。

仿真结果显示了短路0.01秒后局部电极的充电状态

  自放电0.01秒后锂离子电池电极颗粒表面的局部荷电状态。由于内部短路,负极(底部)耗尽,正极(顶部)积聚。

  然后我们绘制电池横截面的温度图(如下图所示)。短路导致的电流密度升高会引起更强的电阻加热,从而将灯丝中的温度升高到接近60℃。电池溶剂是挥发性的,因此如果温度变得太高,电池可能会加压并爆裂。随后会发生爆炸,因为溶剂也是易燃的。然而,EC:DMC电池溶剂的沸点超过100℃,因此我们可以预期电池在这些条件下内部加压是安全的。

显示锂离子电池温度的横截面

  锂离子电池内部短路时横截面的温度。短路电流流经的锂灯丝附近温度升高。

  在下图中,针对两种尺寸的锂灯丝绘制了最高电池温度的温度瞬变。在这两种情况下,峰值温度通过集电器散发的多余热量很快达到一个渐近值。在存在较大锂夹杂物的情况下,最高温度稍高一些。这是因为考虑到通过相似数量的周围电极材料的耗散,较大的灯丝允许更大的短路电流,从而提高温度。

绘制比较时间和最大电池温度

  通过1米和5米锂丝短路时,电池最高温度超过0.1秒的自放电。

  锂离子电池因短路和热失控而燃烧,在运输和使用普通储能装置时会带来重大安全风险。对短路场景建模使我们能够创建详细的电池设计来最小化这些风险。通过将详细的电化学模型与COMSOL Multiphysics中的热传递分析相结合,我们可以研究短路过程并更好地了解电池性能,以防止故障并优化器件安全性。


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