采用comsol软件对锂离子电池特性模拟的初步研究

1、2010年中国区用户年会采用COMSOL对锂离子电池特性模拟的初步研究，电源，电源(TIPS)是我国电能源领域起步最电源早、规模最大、方向最全的电能源技术综合研究所。从事基础研究、技术开发和小规模生产。现有职工1300余人，40余名正高级研究。现设有12个研究室。产品涉及30余个系列，400余种。最成功的技术转化是创立了力神电池公司。研究方向化学与物理电源先进化学电源先进物理电源评估仿真储能材料及电 化学柔性薄膜 太阳电池PEMFC & RFC模拟仿真材料、电池评估光电转换技术微电源系统新型化学电源想做什么？锂离子电池模拟仿真锂离子电池的充放电行为模拟锂离子电池的热及安全性模拟锂离子电池结构设

2、计-集流、应力电池模拟仿真金属空气电池模拟仿真电池模拟仿真材料设计为什么开展此项研究？锂离子电池具有高比能特点，但也存在安全隐患！模拟仿真是电池设计及安全性的一种有效！初步进展锂离子电池的电-热耦合模拟J.R. E. White模型简单模拟模型锂离子电池的热模拟绝热实验热箱实验其它集流体电热分布接线柱电热分布拉伸与内压电-热耦合模拟简单模拟所需物理场模型：314312或热传递-静态电热传递310308所需参数：内阻/电导率，dU/dT, 热传递系数，热容，热传导系数， 密度，3063043023002980200400600Time/s800100012001200s温度分布18650电池3A

3、放电1200sTemperature/K电-热耦合模拟J.模型模拟锂离子充放电过程，了解电池中各种物理化学变化所需物理场模型：PDE方程（2）， 扩散（2）， 热传递所需参数：孔隙率， 粒径， 表面积，dU/dT ， 充放电曲线 ， 扩散系数（液相，固相） ，电导率（液相，固相） ，电化学反应系数，热传递 系数，热容，热传导系数，密度公式: S ieff11a loc2RTeff ln f1 t ln c2 Sailoc 2 1 eff22 ln c2 F c Sailoc 1 t dc2 dteff D222FTtC(KT ) QpT UQ S i U S i eff eff a loc12

4、a locT1112222RTeff ln f1 t ln c2 2 2 1 ln c2 Fi kcc c cexp RT F F U U exp maxaacacloc21111212RTdc1 1 (r 2 D (c ) 0dtr 2 rp1 r1ppp电-热耦合模拟J.模型4.34.24.14.03.93.8010002000Time/s30004000电池电压2430扣式电池9A/m2放电1500s，300s, 9A/m2充电1500sPotential/V电-热耦合模拟J.模型278277276275274273010002000Time/s30004000电池温度Temperatu

5、re/K 电-热耦合模拟J.模型负极浓度正极浓度电解液浓度电-热耦合模拟J.模型4.2292m1A/m22904.0m 1A/m25A/m210A/m220A/m240A/m228825A/m10A/m22863.8220A/m28440A/m23.62822803.42782763.22743.00.00.00.51.01.52.02.53.03.50.51.01.52.02.53.03.5Capacity/mAhCapacity/mAh2923.62902883.42863.22842823.0倍率放电过程2802.82782762.62740510152025303540Current

6、density/Am-20510152025303540Current density/Am-2Potential/VDischarge capacity/mAhTemperature/KTemperature/K电-热耦合模拟R. E. White 模型模拟锂离子充放电过程，了解电池中各种物理化学变化所需物理场模型：PDE方程（3）， 扩散（1）， 热传递所需参数：孔隙率， 粒径， 表面积，dU/dT ， 充放电曲线 ， 扩散系数（液相，固相） ，电导率（液相，固相） ，电化学反应系数，热传递系数，热容，热传导系数，密度公式: S ieff11a loc2RTeff ln f1 tln c

7、S i 2 eff1 2F22a loc ln c2 c Sailoc 1 t dc2 dteff D222FTtC(KT ) QpT UQ S i U S i eff eff a loc12a locT1112222RTeff ln f1 t ln c 2 1 ln c22F2 i kcc c ce F U F U exp maxaxpacac RTloc21111212RTc ave3S iaveilocrp 1 a loc c1 c1 tF5FD1 电-热耦合模拟R. E. White 模型4.24.14.03.93.8010002000Time/s30004000电池电压2430扣式电

8、池9A/m2放电1500s，300s, 9A/m2充电1500sPotential/V电-热耦合模拟R. E. White 模型277276275274273010002000Time/s30004000电池温度Temperature/K 电-热耦合模拟R. E. White 模型正负极浓度电解液浓度电-热耦合模拟R. E. White 模型2924.2White m1A/m25A/m210A/m220A/m240A/m2290White m1A/m24.028825A/m286210A/m20A/m3.8228440A/m23.62822803.42783.22762743.00.00.51

9、.01.52.02.53.00.00.51.01.52.02.53.0Capacity/mAhCapacity/mAh3.052922903.002882.95286倍率放电2842.902822.852802782.802762.7527405101520253035400510152025303540Current density/Am-2Current density/Am-2Capacity/mAhPotential/VTemperature/KTemperature/K热模拟Thermal simulation热测试模拟正极/负极结果动力学计算全电池/半电池测试模拟与测试实验对照带电

10、解液测试电池结构&各种参数DSC& ARC电池模型数据 & 方程电极材料热模拟模拟电池的热行为和安全性所需物理场模型：PDE方程(n)， 热传递(1)公式：Tt C (K T ) Qipii所需参数：热传递系数，热容，热传导系数， 密度，活化能，指前因子，反应级数，反应焓 Aexp xdx1Ean (1 x )aRT11dtdxEn Aexp a x(1 x)a2 dt22RT .dx R实例中选择6组反应速率方程：正极 1组， 负极 2组， 电解液 3组dtQ Hi i Rii热模拟绝热实验Li-Co-O/C电池363K温度4.05103.24802.44501.64200.83900.03

11、600100002000030000Time/s400005000060000Temperature/KTemperature rate/K/sTemperature Temperature rate热模拟绝热实验Li-Co-O/C电池363K电极浓度电解液浓度4.00.008Temperature itiveNegativeElectrolyte SEIGasifing Solvent3.20.000150.140.0060.122.40.000100.100.080.060.0040.000050.041.60.020.000000.00370 380390 400 410420 4304

12、404500.0020.80.00.000360380400420440460480500520Temperature/KTemperature rate/K/sReaction rate/s-1热模拟绝热实验LiFePO4/C电池398K温度1.65401.41.25101.04800.80.64500.44200.20.0010000200003000040000Time/s500006000070000Temperature/KTemperature rate/K/sTemperature Temperature rate热模拟绝热实验LiFePO4/C电池398K电极浓度电解液浓度1.

13、50.006Temperature itiveNegation Electrolyte SEIGasifing Solvent0.0051.20.150.000150.120.000120.0040.090.000090.90.060.000060.0030.030.000030.60.000.000000.0024004204404604805000.30.0010.00.000400420440460480500520540560Temperature/KTemperature rate/K/sReaction rate/s-1热模拟绝热实验LiFePO4/Li-Ti-O电池413K温度0

14、.054904800.044700.034604500.024404300.014200.004100100002000030000Time/s400005000060000Temperature/KTemperature rate/K/sTemperature Temperature rate热模拟绝热实验LiFePO4/Li-Ti-O电池413K电极浓度电解液浓度0.050.014Temperature itiveNegative Electrolyte Surface Gasifing Solvent0.00300.00040.0120.040.00250.00030.0100.0020

15、0.030.00150.00020.0080.00100.00010.0060.00050.020.00000.00000.004420430 440450 460470 4804900.010.0020.000.000410420430440450460470480490Temperature/KTemperature rate/K/sReaction rate/s-1热模拟热箱实验Li-Co-O/C电池413K温度5002.01.64501.24000.83500.40.0300020004000Time/s60008000Temperature/KTemperature rate/K/s

16、Temperature Temperature rate热模拟热箱实验Li-Co-O/C电池 413K电极浓度电解液浓度热模拟热箱实验LiFePO4/C电池468K温度5500.350.305000.254500.200.154000.103500.050.003000150030004500Time/s600075009000Temperature/KTemperature rate/K/sTemperature Temperature rate电极浓度电解液浓度热模拟热箱实验LiFePO4/Li-Ti-O电池468K温度0.205104800.164500.124200.083900.04

17、3600.00330-0.0430001500300045006000Time/s75009000Temperature/KTemperature rate/K/sTemperature Temperature rate热模拟热箱实验LiFePO4/Li-Ti-O电池468K电极浓度电解液浓度468K0.200.000750.150.00060Temperature itiveNegative Electrolyte Surface Gasifing Solvent0.100.000450.000300.050.000150.000.00000-0.05300330360390420450480510Temperature/KTemperature rate/K/sReaction rate/K/s集流体电热分布温度分布18650 铜箔集流体1A 10s电流密度分布所需物理场模型：静态电， 热传递