基于电化学-热耦合模型的液态金属电池温度预测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于电化学

【技术实现步骤摘要】
基于电化学
‑
热耦合模型的液态金属电池温度预测方法


[0001]本专利技术属于电网储能电池
，更具体地，涉及一种基于电化学
‑
热耦合模型的液态金属电池温度预测方法。

技术介绍

[0002]随着环境污染与能源短缺问题日益凸显，可再生能源的有效利用已成为世界范围内的研究热点，而储能技术被认为是解决可再生能源并网消纳问题、提高能源利用效率的有效方案。目前，电化学储能技术中比较成熟的电池有锂离子电池、钠硫电池、液流电池等，但是，由于其成本过高、储能寿命较短，无法满足大规模储能市场的需求，因此，并未广泛应用于电网储能。
[0003]液态金属电池是近年来提出的一种廉价高效的电化学储能技术，为电网级储能提供了新的选择。在300℃
‑
700℃的工作温度下，液态金属电池的正负极金属材料和熔盐电解质均为液态，由于三者密度不同且互不相溶，在重力作用下自动分为三层，这种全液态分层结构使其具有效率高、寿命长、性能稳定、传质速度快等优点。
[0004]根据电极/电解质体系的不同，液态金属电池的工作温度一般维持在300℃
‑
700℃的高温下。与锂离子电池相似，温度的波动会显著影响液态金属电池的性能。因此，在电池运行过程中，需要密切关注电池温度，以便及时调整外部炉膛加热源，将电池温度维持在稳定状态。
[0005]现有获取液态金属电池温度的方法存在以下问题：通常采用热电偶测量电池表面温度，由于液态金属电池特殊的构造，几乎不可能将热电偶植入电池内部测量温度，所测温度不能准确表征电池内部温度；采用热电偶等传感器件测量电池温度不利于降低电池管理成本，费时费力。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的缺陷和改进需求，本专利技术提供了一种基于电化学
‑
热耦合模型的液态金属电池温度预测方法，其目的在于提高液态金属电池的温度预测精度，从而进一步确保电池温度维持在稳定状态。
[0007]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于电化学
‑
热耦合模型的液态金属电池温度预测方法，包括：根据所述液态金属电池的几何参数和电化学参数，建立电化学模型；根据所述液态金属电池的几何参数和热学参数，结合电化学反应产生的可逆反应热、电化学极化产生的不可逆极化热、由于电池内阻产生的欧姆热以及由于热辐射导致的热耗散，建立热模型；将所述电化学模型输出的热量作为热源输入所述热模型，根据所述热模型输出的温度调节所述电化学参数以更新所述电化学模型，从而耦合所述电化学模型与所述热模型；利用耦合后的模型，预测所述液态金属电池的温度。
[0008]更进一步地，所述热模型包括：
[0009][0010]q
cell
＝q
rea
+q
act
+q
ohm
[0011][0012]q
act
＝S
a,i
j
loc,i
η
[0013][0014][0015]其中，ρ为电解质密度，C
p
为恒压热容，T为温度，t为时间，为梯度，k为导热系数，q
cell
为液态金属电池工作时的总产热速率，q
rad
为由于热辐射导致的热耗散，q
rea
为电化学反应产生的可逆反应热，q
act
为电化学极化产生的不可逆极化热，q
ohm
为由于电池内阻产生的欧姆热，S
a,i
为液态金属电池反应横截面积，j
loc,i
为局部交换电流密度，U
OC
为电化学极化开路电压，η为电化学极化过电位，i2为电解质电流密度，为电解质电位，J为总漫射辐射通量，G
m
()为相互辐射通量，G
amb
为对环境辐射通量，ε、n、ρ
d
、σ
B
分别为液态金属电池的发射率、折射率、反射率、斯蒂芬
‑
玻尔兹曼常数，G为总入射通量，F
amb
为环境视角系数，ε
amb
为环境辐射系数，T
amb
为环境温度。
[0016]更进一步地，所述根据所述液态金属电池的几何参数和电化学参数，建立其电化学模型，包括：根据所述几何参数，建立所述液态金属电池的几何模型；设定所述几何模型的工作域，并将所述电化学参数填入对应的工作域；在所述液态金属电池的集流体处设置电池工作条件，以仿真得到所述电化学模型。
[0017]更进一步地，建立液态金属电池的热模型，包括：根据所述几何参数，建立所述液态金属电池的几何模型；设定电池材料、环境温度和所述几何模型的工作域，并将所述热学参数填入对应的工作域；基于傅里叶定律，仿真获取所述液态金属电池的温度场变化，以作为所述热模型。
[0018]更进一步地，所述电化学模型包括：电荷守恒子模型、传质守恒子模型和电极动力学子模型。
[0019]更进一步地，所述电荷守恒子模型包括：作用于正负极电极材料的模型和作用于电解质材料的模型；所述作用于电解质材料的模型为：
[0020][0021]其中，i2为电解质电流密度，F为法拉第常数，z
i
为熔盐电解质中离子i的荷电数，D2、c2、u2、φ2分别为熔盐电解质中离子的扩散系数、浓度、离子迁移率、电势，为梯度。
[0022]更进一步地，所述传质守恒子模型包括：作用于正负极电极材料的模型和作用于电解质材料的模型；所述作用于电解质材料的模型为：
[0023][0024]其中，D2、c2、u2、φ2分别为熔盐电解质中离子的扩散系数、浓度、离子迁移率、电势，t为时间，为梯度，z2为熔盐电解质中离子所带电荷数，F为法拉第常数，v为化学计量系数，j
loc
为界面处的局部电流密度，n为液态金属电池的折射率。
[0025]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：提供一种基于电化学
‑
热耦合模型的液态金属电池温度预测方法，通过能量守恒方程计算电池运行过程中的温度变化，并且考虑到了液态金属电池在高温环境中运行，辐射通量对电池温度有明显影响，基于此，在构建热模型时考虑了热辐射导致的热耗散，具体地，在能量守恒方程中计算电池对电炉壁的面对面辐射和电池对炉内空气的环境辐射，能够提高电池温度预测的准确度；能够在不破坏电池原有结构、不影响电池正常运行的基础上，通过模型计算预测电池内部及外表面温度，有利于节约电池管理成本，为后续电池成组管理提供参考。
附图说明
[0026]图1为本专利技术实施例提供的基于电化学
‑
热耦合模型的液态金属电池温度预测方法的流程图；
[0027]图2为本专利技术实施例提供的液态金属电池电化学
‑
热耦合模型的几何示意图；
[0028]图3为本专利技术实施例提供的液态金属电池本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于电化学
‑
热耦合模型的液态金属电池温度预测方法，其特征在于，包括：根据所述液态金属电池的几何参数和电化学参数，建立电化学模型；根据所述液态金属电池的几何参数和热学参数，结合电化学反应产生的可逆反应热、电化学极化产生的不可逆极化热、由于电池内阻产生的欧姆热以及由于热辐射导致的热耗散，建立热模型；将所述电化学模型输出的热量作为热源输入所述热模型，根据所述热模型输出的温度调节所述电化学参数以更新所述电化学模型，从而耦合所述电化学模型与所述热模型；利用耦合后的模型，预测所述液态金属电池的温度。2.如权利要求1所述的基于电化学
‑
热耦合模型的液态金属电池温度预测方法，其特征在于，所述热模型包括：q
cell
＝q
rea
+q
act
+q
ohm
q
act
＝S
a,i
j
loc,i
ηη其中，ρ为电解质密度，C
p
为恒压热容，T为温度，t为时间，
▽
为梯度，k为导热系数，q
cell
为液态金属电池工作时的总产热速率，q
rad
为由于热辐射导致的热耗散，q
rea
为电化学反应产生的可逆反应热，q
act
为电化学极化产生的不可逆极化热，q
ohm
为由于电池内阻产生的欧姆热，S
a,i
为液态金属电池反应横截面积，j
loc,i
为局部交换电流密度，U
OC
为电化学极化开路电压，η为电化学极化过电位，i2为电解质电流密度，为电解质电位，J为总漫射辐射通量，G
m
()为相互辐射通量，G
amb
为对环境辐射通量，ε、n、ρ
d
、σ
B
分别为液态金属电池的发射率、折射率、反射率、斯蒂芬
‑
玻尔兹曼常数，G为总入射通量，F
amb
为环境视角系数，ε

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋凯，张益，李浩秒，王康丽，周敏，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：