一种磷酸铁锂电池制造技术

本发明专利技术公开了一种磷酸铁锂电池，包括：电池本体，在电池本体的上部设置两个极耳，在两个极耳之间设置一安全阀，其特征在于：所述安全阀上设置有压印口，所述压印口为V形，通过计算安全阀V形压印口的损伤值判断安全阀是否断裂失效；所述电池本体包括铝壳，层流外壁贴合于铝壳内侧壁，层流内壁设置于层流外壁的内部，层流内壁与层流外壁之间为区域II，层流内壁的内部为区域I，铝壳为区域Ⅲ。本发明专利技术将电池内部压力转化为外部较易测量的变形量，提高了磷酸铁锂电池的安全性。磷酸铁锂电池的安全性。磷酸铁锂电池的安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种磷酸铁锂电池


[0001]本专利技术涉及一种铝壳电池，特别涉及一种在过充条件下的磷酸铁锂储能电池，属于磷酸铁锂电池安全防护


技术介绍

[0002]磷酸铁锂铝壳电池常采用铝合金，具有重量轻、不易变形和布局灵活等特点而倍受电动汽车领域青睐。然而，商业化的锂离子电池安全事故频发，严重制约了其推广应用。受机械、电和热滥用的影响，锂离子电池易产生气体，如汽化电解液、副反应气体如氢气和一氧化碳，并释放大量的热。电池在释放热量和气体的同时，会具有明显的“变形”特征，因此，压力变形可作为表征电池安全状态的重要信息。并且，当单个电池发生膨胀变形，势必会挤压相邻电池。因此，十分有必要研究铝壳电池在滥用工况下的压力变形特性。
[0003]气体膨胀是电池安全状态的重要特征。由于锂离子电池是一个封闭的整体，直接监测电池内部压力状态对装置条件要求较高，因此，通过建立铝壳电池压力膨胀模型，研究内部压力状态与电池形变量的关系具有重要意义。
[0004]此外，铝壳电池区别于软包电池的重要特征在于顶部设有安全阀。安全阀可以使电池内部聚集的气体及时释放，阻止或降低电池爆炸等风险。其原理是当电池内部压力大于某一阈值时，安全阀的压印位置会发生断裂，气体和热量从断裂口释放，此时切断外部激源可有效阻止热失控演化，因此，铝壳电池安全阀的及时断裂具有重要意义。然而，不同安全阀结构或材质在什么样的内部压力下会打开，以及安全阀断裂失效的及时性需要进行大量的实验测定，因此十分有必要建立模型明晰内部压力与安全阀开启状态、电池形变量的关系，设计合理有效的电池安全阀，提高铝壳电池安全性。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题：在过充条件下，如何提高磷酸铁锂储能电池的安全性。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种磷酸铁锂电池，包括电池本体，在电池本体的上部设置两个极耳，在两个极耳之间设置一安全阀，所述安全阀上设置有压印口，所述压印口为V形，通过计算安全阀V形压印口的损伤值判断安全阀是否断裂失效；
[0007]所述电池本体包括铝壳，层流外壁贴合于铝壳内侧壁，层流内壁设置于层流外壁的内部，层流内壁与层流外壁之间为区域II，层流内壁的内部为区域I，铝壳为区域Ⅲ。
[0008]本专利技术达到的有益效果：磷酸铁锂电池具有宽工作温度范围、长循环寿命而被广泛应用于电动汽车和电网储能领域，然而过充等滥用工况下的电池安全问题仍是遏制其发展的主要因素，过充等滥用会引发电池严重变形，且会挤压相邻电池，本专利技术基于锂离子电池过充产热产气特性，建立了热
‑
气
‑
固耦合膨胀模型并提供了相应的安全阀结构，为提高电池安全性提供数值支撑。
附图说明
[0009]图1为本专利技术的磷酸铁锂电池立体图；
[0010]图2为本专利技术的磷酸铁锂电池的安全阀结构示意图；
[0011]图3为铝壳电池膨胀有限元模型示意图；
[0012]图4为Al1050
‑
O材料损伤云图；
[0013]图5为MFX2材料损伤云图；
[0014]图6为Al1050材料十字形压印安全阀损伤分析示意图；
[0015]图7为Al1050材料半圆形压印安全阀损伤分析示意图；
[0016]图8为Al1050半圆形压印(不同半径)安全阀损伤分析示意图。
[0017]图中1.电池本体 2.极耳 3.安全阀 5.层流外壁 6.层流内壁 7.层流入口 8.层流。
具体实施方式
[0018]下面结合附图对本明作进一步的详细说明。
[0019]实施例1
[0020]本专利技术的磷酸铁锂电池的安全阀利用起亚膨胀模型，压力膨胀是由于气体对铝壳的冲击导致铝壳发生大位移。如图1所示，本专利技术的一种磷酸铁锂电池，包括电池本体，在电池本体的上部设置两个极耳，在两个极耳之间设置一安全阀，所述安全阀上设置有压印口，所述压印口为V形，通过计算安全阀V形压印口的损伤值判断安全阀是否断裂失效。
[0021]图2为本专利技术的磷酸铁锂电池的安全阀结构示意图，图中H1表示压印浓度；H2表示安全阀厚度；θ表示压印角度。
[0022]本专利技术的磷酸铁锂电池使用过充膨胀有限元模型，图3为铝壳电池膨胀有限元模型示意图。所述电池本体包括铝壳，层流外壁贴合于铝壳内侧壁，层流内壁设置于层流外壁的内部，层流内壁与层流外壁之间为区域II，层流内壁的内部为区域I，铝壳为区域Ⅲ。
[0023]电池膨胀过程中的复杂物理场包括系统I和系统II，系统I(热力学分析)表示因过充而引发的副反应产气，系统II(流固耦合)表示铝壳受副反应气体的冲击发生形变，系统I中的电能与副反应化学能和热能平衡，系统II中的气体动能与机械能平衡。
[0024]副反应气体CO2、H2和CO通常产生于电极表面，并在电极周围扩散，因此将电池体分为三个域，首先在区域I中计算副反应气体的压力，接着在区域II和区域Ⅲ中计算气体流动导致的铝壳变形，如图3所示。区域I表示被压缩的固体单元(主要为电芯)所占据的空间，焦耳热和副反应热源设置在区域I中，区域Ⅱ表示气体无障碍流动的空间，在区域Ⅱ和区域Ⅲ中进行流固耦合分析模拟，层流入口边界条件设置为热力学分析得到的边界压力p，利用COMSOL Multiphysics仿真软件进行仿真，步骤具体如下：
[0025][0026][0027][0028]p＝p
A
‑
p0ꢀꢀ
(4)
[0029]步骤1：由公式(1)计算混合气体绝对压力p
A
；式(1)中V是区域I气体体积，单位为m3；R是通用气体常数；t是时间，单位为秒s；
[0030]利用COMSOL Multiphysics仿真软件中的化学接口功能模块，求解CO2、H2和CO的副反应速率r
H2
、r
CO2
和r
CO
，，并用作式(2)的源项；
[0031]式(3)是流体传热控制方程，式中，ρ为流体密度，kg/m3；Cp为恒压热容，J/K；u为流体速度场，m/s；q为热通量，W/m3；k是导热系数，W/(m
·
k)；T是流体温度，K，式(14)求解的气体浓度c和气体温度T作为式(1)的源项；
[0032]由式(4)计算区域I表面的压力p，即层流入口的边界压力条件；p0表示标准大气压力，取值为1
×
105Pa。
[0033]步骤2：使用层流和固体力学接口，在区域II和区域III中执行流固耦合分析，具体步骤为：由步骤1获得混合气体的流动特性，选择充分发展的流动和平均压力作为入口边界条件，在区域Ⅲ中设置3003
‑
H14铝壳的力学参数，包括杨氏模量70GPa、屈服强度160MPa、泊松比为0.33，铝壳为大塑性应变，极耳为固定约束。所述流固耦合分析是多物理场软件的一个操作步骤，先计算出层流物理场中相应的速度，所述速度数据传递给第二个固体力学物理本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磷酸铁锂电池，包括电池本体，在电池本体的上部设置两个极耳，在两个极耳之间设置一安全阀，其特征在于：所述安全阀上设置有压印口，所述压印口为V形，通过计算安全阀V形压印口的损伤值判断安全阀是否断裂失效；所述电池本体包括铝壳，层流外壁贴合于铝壳内侧壁，层流内壁设置于层流外壁的内部，层流内壁与层流外壁之间为区域II，层流内壁的内部为区域I，铝壳为区域Ⅲ。2.根据权利要求1所述的一种磷酸铁锂电池，其特征在于：区域I表示被压缩的固体单元所占据的空间，焦耳热和副反应热源设置在区域I中，在区域I中计算副反应气体的压力；区域Ⅱ表示气体无障碍流动的空间，在区域Ⅱ和区域Ⅲ中进行流固耦合分析模拟，计算气体流动导致的铝壳变形。3.根据权利要求2所述的一种磷酸铁锂电池，其特征在于：在计算气体流动导致的铝壳变形过程中，利用COMSOL Multiphysics仿真软件进行仿真，具体步骤如下：Multiphysics仿真软件进行仿真，具体步骤如下：Multiphysics仿真软件进行仿真，具体步骤如下：p＝p
A
‑
p0ꢀꢀ
(4)步骤1：由公式(1)计算混合气体绝对压力p
A
；式(1)中V是区域I气体体积；R是通用气体常数；t是时间；利用COMSOL Multiphysics仿真软件中的化学接口功能模块，求解CO2、H2和CO的副反应速率和r
CO
，并用作式(2)的源项；式(3)是流体传热控制方程，式中，ρ为流体密度；Cp为恒压热容；u为流体速度场；q为热通量；k是导热系数；T是流体温度，c是气体浓度，T是气体温度；由式(4)计算区域I表面的压力p，即层流入口的边界压力条件；p0表示标准大气压力；步骤2：在区域II和区域III中执行流固耦合分析，由步骤1获得混合气体的流动特性，选择充分发展的流动和平均压力作为入口边界条件，在区域Ⅲ中设置铝壳的力学参数，包括杨氏模量、屈服强度和泊松比，铝壳为大塑性应变，极耳为固定约束。4.根据权利要求2所述的一种磷酸铁锂电池，其特征在于：所述磷酸铁锂储能电池产热类型包括焦耳热和副反应产热，焦耳热Q1根据以下公式计算：Q1＝I2r/V
b
ꢀꢀ
(5)式中，Q1为焦耳热速率；I为充电电流；r为电池等效内阻；V
b
为电池体积；副反应热Q2是各种化学副反应的总和，由式(6)计算：Q2＝Q
Li
+Q
ele
+Q
SEI
+Q
anode
+Q
cathode

【专利技术属性】
技术研发人员：黄浩声，陶风波，梁伟，张昱，尹康涌，黄哲忱，
申请(专利权)人：国网江苏省电力有限公司，
类型：发明
国别省市：