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Temperaturtest für Lithium-Power-Batterien

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Temperaturtest für Lithium-Power-Batterien

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Lithium-Ionen-Batterien haben viele Vorteile, wie z. B. eine hohe spezifische Energie, eine hohe spezifische Leistung und eine hohe Spannungsplattform, und bieten gute Anwendungsmöglichkeiten bei der Energiespeicherung und bei Elektrofahrzeugen mit neuer Energie. Die Zellstruktur der bestehenden Lithium-Ionen-Batterien kann in geschichtete und gewickelte Strukturen unterteilt werden. Im Vergleich zu gewickelten Strukturen können geschichtete Strukturen die Batteriekapazität erhöhen und den Innenwiderstand verringern. Allerdings kann diese Anordnungsmethode leicht zu einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung entlang der ebenen Richtung der Batterie während einer Entladung mit hoher Rate führen. Um das Problem der ungleichmäßigen Verteilung der Batterietemperatur zu analysieren, kann ein genaues Batteriesimulationsmodell erstellt werden, um die Eigenschaften der Temperaturfeldverteilung zu klären und den Batterieherstellern mehr Informationen zur Optimierung der Batteriestruktur zu liefern.

Üblicherweise wird die Finite-Elemente-Methode für die Simulationsanalyse mehrerer physikalischer Felder in Batterien verwendet. Bei der Modellierung verwenden die Forscher in der Regel ein nicht geschichtetes Modell mit pauschalen Parametern, um die Temperaturfeldverteilung von Batterien durch Kopplung eines eindimensionalen Modells zu analysieren. Oder sie ignorieren den Temperaturgradienten entlang der Dickenrichtung der Batterie und analysieren nur die Oberflächentemperaturverteilung der Batterie. Tatsächlich haben Lithium-Ionen-Batterien eine dreidimensionale Schichtstruktur und unterschiedliche Wärmequellen in verschiedenen Teilen, was unweigerlich zu einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung innerhalb der Batterie führt. Um die Elektrochemie und die Temperaturfeldverteilung der einzelnen Schichten von Lithium-Ionen-Batterien genauer vorhersagen zu können, wird in diesem Beitrag ein dreidimensionales Modell der thermischen Kopplung der Einzelschichtelektrochemie auf der Grundlage einer Software zur Analyse des physikalischen Feldes erstellt und die Eigenschaften und die Temperaturfeldverteilung der verschiedenen Teile der Batterie auf dieser Grundlage untersucht. Die Forschungsarbeit in diesem Artikel kann eine theoretische Grundlage für die strukturelle Optimierung von Lithium-Ionen-Batterien und die Entwicklung des Wärmemanagements von Batterien liefern.

1 Thermisches Modell

In diesem Artikel werden quadratische, gestapelte Lithium-Ionen-Batterien als Forschungsobjekt betrachtet. Die Batterie besteht aus 60 Elektrodenpaaren, die übereinander gestapelt sind und jeweils aus fünf Teilen bestehen: Stromabnehmer der positiven Elektrode, aktives Material der positiven Elektrode, aktives Material der negativen Elektrode und Stromabnehmer der negativen Elektrode. Während des Entladevorgangs fließt der Strom durch das negative Elektrodenohr, durchläuft das Diaphragma sowie die positiven und negativen Elektroden und fließt schließlich aus dem positiven Elektrodenohr. Während dieses Prozesses werden komplexe chemische und elektrochemische Reaktionen und Materialtransportprozesse beobachtet, die zu Veränderungen im internen Temperaturfeld der Batterie führen. Als Reaktion auf dieses Phänomen wird in diesem Artikel ein dreidimensionales elektrochemisches thermisches Kopplungsmodell durch Kopplung von Masse, Ladung, Energieerhaltung und elektrochemischer Kinetik aufgestellt. Untersucht werden die elektrochemischen und thermischen Eigenschaften der Batterie während des Entladevorgangs.

2 Prüfung

In dem dreidimensionalen Verteilungsmodell konzentrieren wir uns auf die internen Verteilungseigenschaften des elektrochemischen Systems, einschließlich der Potenzialverteilung, der SOC-Verteilung, der Stromdichteverteilung und der Lithiumionenkonzentrationsverteilung. Da es schwierig ist, die elektrochemischen Verteilungseigenschaften von Batterien durch Experimente zu messen, werden sie in diesem Artikel durch den Vergleich der externen elektrochemischen Eigenschaften von Batterien verifiziert. Die Testplattform besteht hauptsächlich aus der DGBELL Hoch- und Tieftemperaturkammer, dem Lade- und Entladeschrank und der Software zur Simulation mehrerer physikalischer Felder. Vor dem Test laden Sie die Batterie mit 1 C Strom voll auf und lassen sie 1 Stunde lang stehen. Anschließend wird die Batterie mit 1 C und 2 C Konstantstrom entladen und die Spannungsänderungen während des Entladevorgangs aufgezeichnet. Der Vergleich der Simulations- und der Versuchsergebnisse zeigt, dass die Übereinstimmung zwischen den Versuchs- und den Simulationsergebnissen gut ist und die Genauigkeit des Modells verifiziert werden konnte.

2.1 Stromdichteverteilung

Die Stromdichteverteilung an den positiven und negativen Stromabnehmern der Batterie am Ende einer 2 C-Entladung. Während des Entladevorgangs fließt der gesamte Strom aus dem äußeren Stromkreis in das negative Elektrodenohr und verteilt sich über den gesamten negativen Stromabnahmebereich. Mit zunehmender Entfernung vom negativen Elektrodenohr nimmt die Stromdichte allmählich ab. Das liegt daran, dass ein Teil des Stroms, der in das Polohr fließt, senkrecht zur Richtung der Sandwichstruktur fließt. Der Strom, der durch die Batteriezelle fließt, wird als lokaler Arbeitsstrom bezeichnet, der die an der elektrochemischen Reaktion beteiligten Ladungen von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode überträgt. Während des Betriebs der Batterie kann eine ungleichmäßige Verteilung des lokalen Arbeitsstroms zu einer lokalen Überladung oder Entladung führen und damit die Sicherheit und Lebensdauer der Batterie beeinträchtigen. Daher ist es äußerst wichtig, diesen Schlüsselparameter zu verstehen.

Während des Entladevorgangs ändert sich die Reaktionsstromdichte im Bereich des Polohrs vom Maximalwert zum Minimalwert. Dies könnte darauf zurückzuführen sein, dass während des Entladungsstrahls die Lithiumionen im Elektrolyten im Bereich des Polarohrs fast aufgebraucht sind, wodurch die elektrochemische Reaktionsrate in der Nähe des Polarohrs verringert wird. Am Ende der Entladung gab es einen signifikanten Gradienten in der Reaktionsstromdichte der Batterie, was auf die große Konzentrationspolarisation der Batterie in der späteren Phase der Entladung zurückzuführen sein kann, was zu einer signifikanten Gradientenverteilung der Reaktionsstromdichte führt. Während des Entladevorgangs ist der Gradient der Reaktionsstromdichte der Elektrode jedoch nicht signifikant, was darauf hindeutet, dass die elektrochemische Reaktionsrate innerhalb der Elektrode grundsätzlich stabil ist.

2.2 Potentialverteilung

Die Gleichmäßigkeit der Potenzialverteilung wirkt sich auf die Leistung von Batterien aus. Ein hohes lokales Potenzial in der Batterie kann zu einer starken Ungleichmäßigkeit in der Leistung der Batterieplatten führen, was die Leistung der Batterie verringert. Bei der 2C-Entladung zeigt die Festphasen-Potenzialverteilung der Anode und Kathode, dass während des Entladevorgangs ein erheblicher Spannungsgradient vorhanden ist. Während der Entladung fließt der Strom von der negativen Elektrode in die Batterie und von der positiven Elektrode wieder heraus. Nach dem Ohm'schen Gesetz nimmt das Potenzial in Richtung des Stroms ab. Daher befindet sich das höchste Potenzial der Anode am Ohr der negativen Elektrode, während sich das niedrigste Potenzial der Kathode am Ohr der positiven Elektrode befindet. Außerdem ist aufgrund der Akkumulation des Stroms, der an den Elektrodenohren in die Batterie hinein- oder aus ihr herausfließt, die Potenzialänderung im Verbindungsbereich zwischen den Elektrodenohren und der Elektrodenplatte sehr ungleichmäßig, und die Potenzialverteilung in den übrigen Teilen der Elektrodenplatte ist relativ gleichmäßig.

2.3 Analyse des Temperaturverhaltens

Die Entladung von Lithium-Ionen-Batterien ist ein typischer transienter Wärmeleitfähigkeitsprozess, der manchmal von einer internen Wärmequelle beeinflusst wird. Temperaturfeldverteilung von Batterien mit unterschiedlichen Entladetiefen unter 2 C Entladebedingungen. Während des Entladevorgangs steigt die Temperatur der Batterie kontinuierlich an. Die Temperaturanstiegsrate der Batterie ist jedoch an verschiedenen Stellen nicht gleich. In der Anfangsphase der Entladung ist die Temperaturanstiegsrate in der Nähe des Polohrs höher, während die Temperaturanstiegsrate außerhalb des Polohrs niedriger ist.

Mit zunehmender Entladetiefe nimmt die Temperaturanstiegsrate außerhalb der Elektrodenohren zu, was möglicherweise auf die Erschöpfung der Lithiumionen an den Elektrodenohren in der späteren Entladestufe zurückzuführen ist, was zu einer Abnahme der Reaktionsstromdichte im Bereich der Elektrodenohren und zu einer Abnahme der ohmschen Wärmeerzeugung führt. Im Bodenbereich der Batterie ist der Lithiumionengehalt jedoch aufgrund des geringen Flussverbrauchs in der frühen Phase der Lithiumionenentladung in der späteren Entladungsphase relativ reichlich, und die Anzahl der an der Reaktion beteiligten Lithiumionen nimmt deutlich zu, was zu einem Anstieg der Stromdichte der Bodenreaktion der Batterie und einem Anstieg der ohmschen Wärmeerzeugungsrate in der späteren Entladungsphase führt. Während des Entladevorgangs veränderte sich die Reaktionsstromdichte im Bereich der positiven Elektrode vom Maximalwert zum Minimalwert, was die Simulationsergebnisse weiter bestätigt.

3 Schlussfolgerung

In diesem Artikel wird ein dreidimensionales elektrochemisches Kopplungsmodell vorgeschlagen, bei dem Masse, Ladung, Energie und elektrochemische kinetische Gleichungen gekoppelt werden. Unter Verwendung dieses Modells wurde die räumlich-zeitliche Verteilung der thermischen Eigenschaften von gestapelten Lithium-Ionen-Batterien untersucht. Die wichtigsten Schlussfolgerungen lauten wie folgt:

(1) Genaue Analyse der Temperaturfeldänderungen und der Wärmeerzeugungseigenschaften einer dreidimensionalen elektrochemischen und dreidimensional thermisch gekoppelten Zedernionenbatterie.

(2) Durch die Erstellung eines dreidimensionalen elektrochemischen und thermischen Kopplungsmodells können mit traditionellen experimentellen Methoden Ergebnisse erzielt werden, die nur schwer zu erhalten sind, wie z. B. die lokale Potenzialverteilung und die Stromdichteverteilung von Batterien

(3) Während des Entladevorgangs mit konstantem Strom besteht im Inneren der Batterie ein erheblicher Temperaturgradient, insbesondere in der Übergangszone zwischen Ohr und Platte, wo sich der Temperaturgradient am stärksten verändert.

(4) Die Temperaturanstiegsrate der Batterie an verschiedenen Stellen während des Entladevorgangs ist nicht gleich. In der Anfangsphase der Entladung ist die Temperaturanstiegsrate im Bereich des Polohrs am höchsten, während die Temperaturanstiegsrate im unteren Bereich der Batterie weit entfernt vom Polohr relativ gering ist. In der späteren Phase der Entladung ist jedoch eine steigende Tendenz zu beobachten. Das in diesem Artikel erstellte dreidimensionale elektrochemische und thermische Modell bietet eine effektive Methode zur Beobachtung des internen elektrochemischen und thermischen Verhaltens von Lithium-Ionen-Batterien und hat gute Anwendungsaussichten bei der Optimierung von Lithium-Batterie-Monomerstrukturen