一种锂离子电池热失控模拟方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种锂离子电池热失控模拟方法及系统，属于锂离子电池技术领域，其特征在于，包括一：通过差示扫描量热法测试锂离子电池正极材料、负极材料和电解液的热性质；二：计算DSC测试所得的DSC曲线中各吸/放热峰的峰面积，对同一种材料取不同升温速率下测试的DSC曲线的峰面积的平均值；三：对不同升温速率下测试的DSC曲线进行化学反应动力学拟合；四：使用COMSOL Multiphysics建立锂离子电池热模型；五：设置初始条件和边界条件，划分网格，计算求解模拟锂离子电池热失控过程；六：输出模拟结果，得到锂离子电池热失控过程的温度变化情况以及电池组成材料的反应情况。

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子电池热失控模拟方法及系统
本专利技术属于锂离子电池
，具体涉及一种锂离子电池热失控模拟方法及系统。
技术介绍
随着锂离子电池在电动汽车领域的广泛应用，其安全性问题受到了极大地关注。热失控是指由电池放热连锁反应引起的电池温度急剧升高，可能导致燃烧、爆炸事故的发生，是锂离子电池的一个重大安全隐患。对锂离子电池热失控的过程和机理进行研究有助于改善锂离子电池的安全性设计，降低锂离子电池发生热失控的风险。传统的实验手段主要通过制备锂离子电池，进行热失控实验，表征测量电池热失控过程中的理化参数来研究锂离子电池的热失控性质。这些实验方法为破坏性实验方法，需要进行大量的锂离子电池制备工作。此外，为了准确、原位地测量热失控过程中的电池参数，实验装置较为复杂。另外，实验手段难以表征锂离子电池内部温度情况和电池各组成材料变化情况。与实验手段相比，通过仿真模拟研究锂离子电池的热失控性质可以避免大规模的电池制备工作，节约时间和成本。在模拟电池热失控过程的同时可以获得电池内部温度和反应参数，有助于揭示电池产热机理，分析电池热失控原因，并预测电池热行为。
技术实现思路
本专利技术为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种锂离子电池热失控模拟方法及系统，能够对锂离子电池的热失控行为进行预测和分析。该方法包括锂离子电池组成材料热性质测试，锂离子电池组成材料热反应参数拟合，锂离子电池热模型建模，以及锂离子电池热失控过程模拟。本专利技术的第一目的是提供一种锂离子电池热失控模拟方法，至少包括：>步骤一：通过差示扫描量热法测试锂离子电池正极材料、负极材料和电解液的热性质；其中：正、负极材料为充电或放电至一定的荷电状态后测试，电解液为直接测试；每种材料进行至少3次不同升温速率下的DSC测试；步骤二：计算DSC测试所得的DSC曲线中各吸/放热峰的峰面积，对同一种材料取不同升温速率下测试的DSC曲线的峰面积的平均值，即为该材料各吸/放热反应的反应热；步骤三：对不同升温速率下测试的DSC曲线进行化学反应动力学拟合，使用的化学反应速率方程为：其中：r为反应速率，A为指前因子，Ea为反应活化能，R为理想气体常数，T为温度，x为反应物归一化质量，n和a为反应级数，拟合得到各吸/放热反应的动力学参数，该动力学参数包括A,Ea,n,a；步骤四：使用COMSOLMultiphysics建立锂离子电池热模型，模型使用方程包括步骤三中的化学反应速率方程以及反应产热方程和传热方程，如下所示：其中，Q为电池组成材料(正负极材料、电解液)各吸/放热反应的产热速率的累加，所述电池组成材料包括正负极材料和电解液，r和H分别为各吸/放热反应的反应速率和反应热，ρ、Cp和K分别为相应区域电池材料的密度、比热容和导热系数，T为温度，t为时间；输入模型参数；步骤五：设置初始条件和边界条件，划分网格，计算求解上述方程以模拟锂离子电池热失控过程；步骤六：输出模拟结果，得到锂离子电池热失控过程的温度变化情况以及电池组成材料的反应情况，对锂离子电池热失控行为的预测和热失控机理的分析。进一步，通过改变测试的正极材料、负极材料和电解液的种类对不同锂离子电池体系的热失控进行模拟；所述正极材料、负极材料和电解液是符合锂离子电池储能机理的材料。进一步，通过改变测试的正极材料和负极材料的荷电状态，对不同荷电状态的锂离子电池体系的热失控进行模拟。进一步，锂离子电池热模型的模型几何、初始条件和边界条件根据模拟的锂离子电池及其所处环境进行设置。本专利技术的第二目的是提供一种锂离子电池热失控模拟系统，至少包括：锂离子电池热性质测试模块：通过差示扫描量热法测试锂离子电池正极材料、负极材料和电解液的热性质；其中：正、负极材料为充电或放电至一定的荷电状态后测试，电解液为直接测试；每种材料进行至少3次不同升温速率下的DSC测试；峰面积计算模块：计算DSC测试所得的DSC曲线中各吸/放热峰的峰面积，对同一种材料取不同升温速率下测试的DSC曲线的峰面积的平均值，即为该材料各吸/放热反应的反应热；化学反应动力学拟合模块：对不同升温速率下测试的DSC曲线进行化学反应动力学拟合，使用的化学反应速率方程为：其中：r为反应速率，A为指前因子，Ea为反应活化能，R为理想气体常数，T为温度，x为反应物归一化质量，n和a为反应级数，拟合得到各吸/放热反应的动力学参数，该动力学参数包括A,Ea,n,a；建立模型模块：使用COMSOLMultiphysics建立锂离子电池热模型，模型使用方程包括化学反应动力学拟合模块中的化学反应速率方程以及反应产热方程和传热方程，如下所示：其中，Q为电池组成材料(正负极材料、电解液)各吸/放热反应的产热速率的累加，所述电池组成材料包括正负极材料和电解液，r和H分别为各吸/放热反应的反应速率和反应热，ρ、Cp和K分别为相应区域电池材料的密度、比热容和导热系数，T为温度，t为时间；输入模型参数；初始值设置模块：设置初始条件和边界条件，划分网格，计算求解上述方程以模拟锂离子电池热失控过程；结果输出模块：输出模拟结果，得到锂离子电池热失控过程的温度变化情况以及电池组成材料的反应情况，对锂离子电池热失控行为的预测和热失控机理的分析。本专利技术具有的优点和积极效果是：通过采用上述技术方案，本专利技术能够预测锂离子电池的热失控行为并分析锂离子电池的热失控原因。通过改变电池材料种类和荷电状态，以及模型参数和设置，可以模拟并研究不同状态的不同锂离子电池体系的热失控行为，从理论上指导锂离子电池安全预警和设计，极大程度上减少实验工作、节约时间和成本。附图说明图1为LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(4.3Vvs.Li+/Li)在不同升温速率下的DSC曲线。图2为LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(4.3Vvs.Li+/Li)在不同升温速率下的DSC曲线。图3为LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2(4.3Vvs.Li+/Li)在不同升温速率下的DSC曲线。图4为LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(4.3Vvs.Li+/Li)在不同升温速率下的DSC曲线。图5为石墨(0Vvs.Li+/Li)在不同升温速率下的DSC曲线。图6为电解液在不同升温速率下的DSC曲线。图7为LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2/石墨锂离子电池热失控模拟的温度和升温速率曲线。图8为LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2/石墨锂离子电池热失控模拟的温度和升温速率曲线。图9为LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2/石墨锂离子电池热失控模拟的温度和升温速率曲线。图10为LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2/石墨锂离子电池热失控模拟的温度和升温速率曲线。图11为LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2/石墨锂离子电池热失控模拟的升本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂离子电池热失控模拟方法，其特征在于，至少包括：/n步骤一：通过差示扫描量热法测试锂离子电池正极材料、负极材料和电解液的热性质；其中：正、负极材料为充电或放电至一定的荷电状态后测试，电解液为直接测试；每种材料进行至少3次不同升温速率下的DSC测试；/n步骤二：计算DSC测试所得的DSC曲线中各吸/放热峰的峰面积，对同一种材料取不同升温速率下测试的DSC曲线的峰面积的平均值，即为该材料各吸/放热反应的反应热；/n步骤三：对不同升温速率下测试的DSC曲线进行化学反应动力学拟合，使用的化学反应速率方程为：/n

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池热失控模拟方法，其特征在于，至少包括：
步骤一：通过差示扫描量热法测试锂离子电池正极材料、负极材料和电解液的热性质；其中：正、负极材料为充电或放电至一定的荷电状态后测试，电解液为直接测试；每种材料进行至少3次不同升温速率下的DSC测试；
步骤二：计算DSC测试所得的DSC曲线中各吸/放热峰的峰面积，对同一种材料取不同升温速率下测试的DSC曲线的峰面积的平均值，即为该材料各吸/放热反应的反应热；
步骤三：对不同升温速率下测试的DSC曲线进行化学反应动力学拟合，使用的化学反应速率方程为：



其中：r为反应速率，A为指前因子，Ea为反应活化能，R为理想气体常数，T为温度，x为反应物归一化质量，n和a为反应级数，拟合得到各吸/放热反应的动力学参数，该动力学参数包括A,Ea,n,a；
步骤四：使用COMSOLMultiphysics建立锂离子电池热模型，模型使用方程包括步骤三中的化学反应速率方程以及反应产热方程和传热方程，如下所示：






其中，Q为电池组成材料(正负极材料、电解液)各吸/放热反应的产热速率的累加，所述电池组成材料包括正负极材料和电解液，r和H分别为各吸/放热反应的反应速率和反应热，ρ、Cp和K分别为相应区域电池材料的密度、比热容和导热系数，T为温度，t为时间；输入模型参数；
步骤五：设置初始条件和边界条件，划分网格，计算求解上述方程以模拟锂离子电池热失控过程；
步骤六：输出模拟结果，得到锂离子电池热失控过程的温度变化情况以及电池组成材料的反应情况，对锂离子电池热失控行为的预测和热失控机理的分析。


2.根据权利要求1所述的锂离子电池热失控模拟方法，其特征在于，通过改变测试的正极材料、负极材料和电解液的种类对不同锂离子电池体系的热失控进行模拟；所述正极材料、负极材料和电解液是符合锂离子电池储能机理的材料。


3.根据权利要求1所述的锂离子电池热失控模拟方法，其特征在于，通过改变测试的正极材料和...

【专利技术属性】
技术研发人员：宁凡雨，王松蕊，刘胜男，丁飞，刘兴江，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第十八研究所，
类型：发明
国别省市：天津;12