汽車鋰離子電池
關(guān)注創(chuàng)建者：weizhi5695 創(chuàng)建時(shí)間：2021-07-15
汽車鋰離子電池的視頻教程
汽車鋰離子電池價(jià)值鏈分析：從全生命周期評估的得到的經(jīng)驗(yàn)
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關(guān)于 ECM 鋰離子電池、單節(jié)電池和電池組（帶冷卻和不帶冷卻）的 CFD 仿真
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汽車鋰離子電池的實(shí)例教程
電動(dòng)汽車（EV）的大規(guī)模商業(yè)化被視為全球路線圖上促進(jìn)低碳經(jīng)濟(jì)和盡量減少全球變暖的關(guān)鍵戰(zhàn)略。汽車鋰離子電池(LiB)的快速充電能力、續(xù)駛里程和安全性是影響電動(dòng)汽車更廣泛市場采用的主要問題。由于工作電位低且平坦、循環(huán)穩(wěn)定性好、電解質(zhì)相容性好且成本低，石墨負(fù)極材料已廣泛用作汽車鋰電池的負(fù)極。然而，石墨陽極容易受到各種降解機(jī)制的影響，從而加劇電池老化，特別是在快速充電期間，限制能量和功率性能并損害電池安全。
石墨陽極表面的金屬鋰沉積（也稱為鍍鋰）是最有害的降解機(jī)制之一，它會(huì)阻止電動(dòng)汽車以與內(nèi)燃機(jī)汽車加油相媲美的充電速度，特別是在高能量密度電極中由緩慢的質(zhì)量傳輸引起的極化占主導(dǎo)地位。電鍍消耗可逆鋰，減少陽極孔隙率和反應(yīng)界面面積、枝晶形成和生長，這會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部短路。因此，改進(jìn)對與電極微結(jié)構(gòu)相關(guān)的電鍍傾向的機(jī)械理解、充電狀態(tài)(SOC)和充電速度對于先進(jìn)材料和快速充電協(xié)議的設(shè)計(jì)和優(yōu)化至關(guān)重要。由于跨多個(gè)長度尺度的復(fù)雜物理和化學(xué)過程，這在歷史上是具有挑戰(zhàn)性的。
由倫敦瑪麗女王大學(xué)的Xuekun Lu博士領(lǐng)導(dǎo)與來自英國和美國的國際研究團(tuán)隊(duì)合作的一項(xiàng)新研究找到了一種防止電動(dòng)汽車電池鍍鋰的方法，這一發(fā)現(xiàn)將徹底改變電動(dòng)汽車電池的效率、安全性和壽命。該論文發(fā)表在《自然通訊》雜志上。
石墨負(fù)極充電過程中的鋰濃度分布用顏色表示
Dr. Xuekun Lu解釋說，通過優(yōu)化石墨負(fù)極的微觀結(jié)構(gòu)可以顯著減輕鍍鋰現(xiàn)象。石墨負(fù)極由隨機(jī)分布的微小顆粒組成，微調(diào)顆粒和電極形貌以獲得均勻的反應(yīng)活性并降低局部鋰飽和度是抑制鋰沉積和提高電池性能的關(guān)鍵。
該研究表明，石墨顆粒的鋰化機(jī)制在不同條件下會(huì)有所不同，具體取決于其表面形態(tài)、尺寸、形狀和取向。
展開 0 引言
鋰離子電池性能檢測是提高其安全性與可靠性的有效舉措。目前世界范圍內(nèi)各組織均已制定或研討有效的方法標(biāo)準(zhǔn)對電池的安全性能進(jìn)行檢測。2009年美國頒布的SAEJ2929:2013標(biāo)準(zhǔn)《電動(dòng)和混合動(dòng)力電池系統(tǒng)安全標(biāo)準(zhǔn)》涉及到電池組和整車級別的安全性檢測；2014年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）制定了標(biāo)準(zhǔn)ISO12405-3：2014《電驅(qū)動(dòng)車輛-鋰離子電池動(dòng)力包及系統(tǒng)檢測規(guī)程第3部分：安全性要求》針對電池組以及電池系統(tǒng)的安全性提出了要求，為汽車廠指明了可選擇的檢測項(xiàng)目以及檢測方法；2015年中國發(fā)布了GB/T31467.3-2015《電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng)第3部分：安全性要求與檢測方法》標(biāo)準(zhǔn)，主要圍繞電池單體以及模塊提出了檢測要求，給我國電動(dòng)汽車檢測提供了方法。
作為鋰離子電池性能檢測中最重要的安全性能檢測，一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)和難點(diǎn)，本文通過調(diào)查分析國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于過充電保護(hù)、過放電保護(hù)以及短路保護(hù)等安全性能檢測的異同點(diǎn)，旨在建議我國關(guān)于鋰離子電池安全性能檢測的發(fā)展趨勢，有效預(yù)防安全事故的發(fā)生，促進(jìn)鋰離子電池行業(yè)的健康發(fā)展。
1 電氣安全性
1.1 過充放電
過充放電檢測是檢查過充電與過放電保護(hù)系統(tǒng)的功能性。該功能系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)控制充放電電流的過載從而達(dá)到保護(hù)工作狀態(tài)的電池設(shè)備免遭荷電狀態(tài)超越最大極值或者低于最低極值誘發(fā)安全事故。
電池組或者電池系統(tǒng)與整車級別的過充放電檢測是有差異的。GB/T31467.3-2015明確提出鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng)的過充放電保護(hù)檢測，充電與放電保護(hù)的檢測對象是工作狀態(tài)的所有檢測系統(tǒng)，檢測電流倍率為1C,截止條件為電池的管理系統(tǒng)能夠發(fā)揮應(yīng)有的作用或者達(dá)到實(shí)驗(yàn)的終止條件。
展開 對于鋰離子電池的性能而言，熱管理是一項(xiàng)需要考慮的重要因素。您可以利用模擬和仿真來分析熱在能源內(nèi)的傳遞，進(jìn)而改進(jìn)設(shè)計(jì)流程。
關(guān)注的原因
您可能經(jīng)常聽到鋰離子電池這一術(shù)語，也可能沒聽過，不論情況如何，在您與他人的日常聯(lián)絡(luò)中，它發(fā)揮著積極的作用。這些重量輕，同時(shí)又可重復(fù)充電的電池常用于各類消費(fèi)電子產(chǎn)品，包括筆記本電腦和手機(jī)。由于鋰離子電池的能量密度較高，它甚至開始用于工業(yè)及運(yùn)輸業(yè)。
手機(jī)中的鋰離子電池（“NOKIA? 電池” – 圖片由 Kristoferb 拍攝。已獲得 Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 授權(quán)、通過 Wikimedia Commons 分享。）
隨著這類設(shè)備使用的增長，對其安全性的關(guān)注也日益提升。就像在之前一篇博客中所提到的那樣，去年，一架新型波音 787 夢想客機(jī)因鋰離子電池過熱而起火，所有夢想客機(jī)都因此被迫臨時(shí)停飛。《Design News》雜志去年也曾報(bào)道過三菱汽車內(nèi)的鋰離子電池過熱問題（點(diǎn)擊閱讀該篇報(bào)道）。
這兩篇不同的頭條報(bào)道都提出了同樣一個(gè)問題 – 熱對鋰離子電池安全性和使用壽命的影響。
熱會(huì)如何影響鋰離子電池？
要回答這一問題，重要的一點(diǎn)就是要理解這背后的原因。
讓我們首先從電池的設(shè)計(jì)開始。 鋰離子電池由兩個(gè)電極和一個(gè)允許離子移動(dòng)的非水電解質(zhì)組成。充電時(shí)，鋰離子從陰極流過電解質(zhì)，隨即被碳基陽極的晶體結(jié)構(gòu)捕獲。放電時(shí)，過程會(huì)反轉(zhuǎn)，這些離子發(fā)生回流，并帶來反向電流為設(shè)備電路提供能源。
在這一類似電流流經(jīng)導(dǎo)線的過程中，電解質(zhì)產(chǎn)生內(nèi)部電阻并帶來焦耳熱。設(shè)計(jì)鋰離子電池時(shí)，能夠快速消散這些熱非常重要，只有這樣，電池才不會(huì)達(dá)到會(huì)發(fā)生分解的高溫。
展開 在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，以電池為動(dòng)力的零排放汽車正在迅速取代傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車。由于鋰離子電池自放電率低、能量密度高、體積小、無記憶和使用壽命長，因此鋰離子電池被廣泛應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車。研究也證明，鋰離子電池在20至40 ℃的溫度范圍內(nèi)有效工作，電池性能最佳。
然而，在快速充電或車輛爬坡時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。此外，在高工作溫度下，電池的溫度迅速上升，可能會(huì)降低電池的生命周期。熱失控在鋰離子電池中已經(jīng)變得越來越普遍，熱安全性已經(jīng)成為阻止其使用的一個(gè)關(guān)鍵問題。如果這些熱量不立即消散，不僅會(huì)降低電池性能，還會(huì)引發(fā)熱失控，導(dǎo)致電池燃燒和爆炸。因此建立合適的熱管理系統(tǒng)至關(guān)重要。
電池的安全性可以通過在電池熱管理系統(tǒng)(BTMS)中監(jiān)測來評估。常見的BTMS現(xiàn)在分為主動(dòng)冷卻系統(tǒng)和被動(dòng)冷卻系統(tǒng)。在主動(dòng)冷卻過程中，電池模組的熱量通過空氣或液體排出。而通過相變材料(PCM)冷卻是被動(dòng)冷卻。PCM優(yōu)于空氣和液體熱管理系統(tǒng)，因?yàn)樗恍枰L(fēng)扇、泵和連接等電氣機(jī)械設(shè)備。
為了提高鋰離子電池的安全性，了解它們在高溫下的行為至關(guān)重要。因此本文在不同的條件下，研究了不同條件下鋰離子電池的主動(dòng)和被動(dòng)冷卻的熱管理效果。
02
成果掠影
近期，美國能源高級研究中心的Naseem Iqbal教授團(tuán)隊(duì)為了提高鋰離子電池的安全性，了解它們在高溫下的行為，探究了不同的冷卻方式以及模組的排列方式對新能源電池熱管理的影響。該研究對電池組進(jìn)行了一系列充放電實(shí)驗(yàn)，以評估熱管理對電池組性能的影響。通過改變周圍條件并使用相變材料來改善熱管理，從而分析電池之間的溫度分布。
展開 電動(dòng)汽車（EV）和混合動(dòng)力汽車（HEV）具有環(huán)保和能源可再生的優(yōu)勢，是替代的最佳選擇。與燃油車。鋰離子電池（LIB）由于具有高能量容量、低自放電率和無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用作電動(dòng)汽車的儲(chǔ)能系統(tǒng)。然而，溫度嚴(yán)重影響鋰離子電池的容量和壽命。較低的溫度可能導(dǎo)致電池退化，而較高的溫度可能引發(fā)熱失控，從而造成安全隱患。
當(dāng)前，對BTMS的研究根據(jù)冷卻方式主要分為風(fēng)冷、液冷、相變材料（PCM）冷卻等三大類。風(fēng)冷具有結(jié)構(gòu)簡單、易于封裝、維護(hù)成本低、能耗低等特點(diǎn)。雖然提供相對較低的熱交換能力，但該冷卻系統(tǒng)在 LIB 系統(tǒng)中得到了很好的采用，對在較高電流速率下進(jìn)行快速充電和放電操作的要求不高。液冷式一般傳熱系數(shù)較高，溫度分布均勻，根據(jù)電池表面是否與傳熱流體直接接觸，液冷方式一般分為直接接觸式和間接接觸式液冷。與間接接觸冷卻相比，直接接觸液體冷卻使用介電流體有效地去除電池熱量，具有很大的緊湊性和高冷卻速率，但在商業(yè)應(yīng)用中可能不實(shí)用。另一方面，間接接觸冷卻更容易實(shí)施，并且使用較低粘度的流體以減少泵功率需求，并且已被廣泛采用和研究，具有液體冷板（LCP），波浪管和熱管。PCM 冷卻本身是一種被動(dòng)熱管理類型，具有運(yùn)行成本較低和溫度均勻性較高的優(yōu)點(diǎn)。PCM 冷卻使用大量潛熱，這些潛熱可以存儲(chǔ)在材料中以維持電池溫度，并能夠降低 LIB 電池組的最高溫度和溫差。然而，純PCM由于導(dǎo)熱系數(shù)較低，容易產(chǎn)生過多的熱量積累，從而大大增加了熱系統(tǒng)的重量。將泡沫金屬和翅片應(yīng)用于 PCM 被動(dòng)冷卻中，以增強(qiáng) PCM 的傳熱，證明 PCM、泡沫金屬和翅片的組合可以有效提高 LIB 的熱性能并將溫度保持在較低水平。在 PCM 壁上耦合了石墨烯增強(qiáng)的高導(dǎo)熱金屬隔板，該系統(tǒng)可以有效地將 4C 充電期間的最高溫度限制在 55°C 以下。
展開 
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汽車鋰離子電池的最新內(nèi)容
圖8 損傷結(jié)果
圖9 壽命結(jié)果
圖10 應(yīng)力均方根
四、結(jié)果評價(jià)
對電池包支架進(jìn)行振動(dòng)疲勞分析，可以將電池包振動(dòng)疲勞分析整個(gè)流程固化下來，包括PSD載荷、求解參數(shù)設(shè)置等，若后續(xù)需要更新模型或材料，直接在此模型上進(jìn)行修改即可完成振動(dòng)疲勞分析；通過分析可以預(yù)測電池包的支架疲勞損傷是否滿足要求，如本例中根據(jù)《GBT 31467.3-2015 電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng)
在對重量和容量更敏感的電動(dòng)汽車領(lǐng)域，鋰離子電池可謂一統(tǒng)天下。
三、何為電池管理系統(tǒng)？它如何提高鋰電池安全？
電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）俗稱電池管家，核心功能除了開篇提到的電池物理參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測、充放電管理和熱管理，還包括電池狀態(tài)估計(jì)。
從內(nèi)因加外因，采用限制加預(yù)防的方式，防止電池老化失控，尤其是熱失控。
*精彩直播預(yù)告
鋰電池作為主要?jiǎng)恿﹄娫粗灰驯粡V泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，因其高能量的特點(diǎn)，預(yù)防電池?zé)崾Э剡M(jìn)行電池?zé)峁芾砜刂埔恢笔潜黄髽I(yè)重點(diǎn)關(guān)注的問題。為了保證鋰電池的最佳性能、安全性和使用壽命，鋰電池必須在特定的溫度范圍內(nèi)工作，而如何有效的預(yù)防鋰電池?zé)崾Э剡M(jìn)行熱管理是企業(yè)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。海克斯康工業(yè)軟件旗下的Cradle CFD軟件可以為電池?zé)崾Э睾蜔峁芾硖峁┤陆鉀Q方案
[圖片]
以下綜述展示了針對鋰電池組件的仿真模擬實(shí)例，包括了陽極/陰極/電解質(zhì)和制造過程。本文主要使用SIESTA(第一性原理計(jì)算引擎)，介紹了在全固態(tài)電池的固體電解質(zhì)中插入鋰離子到陰極/陽極以及鋰離子擴(kuò)散所引起的物理性質(zhì)變化的實(shí)例。
1．用作陽極的石墨和非晶硅吸收和解吸鋰離子而引起的體積膨脹與收縮、彈性模量和電子態(tài)密度的變化。
2．評估用作陰極的LiCoO2的體積模量。
3．評估鋰離子在固體電解質(zhì)
來源 | Journal of Energy Storage
01
背景介紹
隨著社會(huì)向低碳經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型，未來幾十年電池行業(yè)可能會(huì)出現(xiàn)數(shù)量級的增長。電池的生產(chǎn)用途廣泛，每種用途都有特定的電力需求，從電力電子設(shè)備、啟動(dòng)電池設(shè)備到各種儲(chǔ)能設(shè)備。由于其卓越的能量密度、較長的循環(huán)壽命和較低的自放電率，鋰離子電池已成為儲(chǔ)能技術(shù)的首選。然而，鋰離子電池的效率
鋰離子電池的仿真模擬
以下綜述展示了針對鋰電池組件的仿真模擬實(shí)例，包括了陽極/陰極/電解質(zhì)和制造過程。本文主要使用SIESTA(第一性原理計(jì)算引擎)，介紹了在全固態(tài)電池的固體電解質(zhì)中插入鋰離子到陰極/陽極以及鋰離子擴(kuò)散所引起的物理性質(zhì)變化的實(shí)例。
1．用作陽極的石墨和非晶硅吸收和解吸鋰離子而引起的體積膨脹與收縮、彈性模量和電子態(tài)密度的變化。
2．評估用作陰極的LiCoO2
3 總結(jié)和展望
在鋰離子電池的研究中，仍存在許多科學(xué)問題尚未解決，這些問題嚴(yán)重影響著鋰離子電池的安全性能和使用壽命。例如，鋰枝晶的生長演化、SEI膜的形成和破裂演化、正極顆粒在循環(huán)中的破裂、電池壽命預(yù)測、熱失控、以及電池組的電池狀態(tài)實(shí)施監(jiān)測和管理等問題。這些問題涉及到電場、濃度場、力場和溫度場等多個(gè)物理場之間的耦合，很難通過單一的實(shí)驗(yàn)表征手段對各個(gè)驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行分別觀測，更難以給出多場耦合的綜合結(jié)果
摘要: 鋰離子電池的綜合性能不僅取決于材料和結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，還與制造工藝及相關(guān)設(shè)備技術(shù)的進(jìn)步息息相關(guān)。目前電池制造廠商針對不同體系的電池工藝開發(fā)多采用窮舉法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)試錯(cuò)，在工藝仿真技術(shù)方面還存在較大的發(fā)展空間。面向電池高質(zhì)量制造發(fā)展和數(shù)智化升級的行業(yè)發(fā)展趨勢，本文結(jié)合宏觀電池制造設(shè)備和微觀電池電極結(jié)構(gòu)兩個(gè)角度，對電池制造工藝仿真研究現(xiàn)狀進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)，分析了各工序工藝仿真技術(shù)機(jī)理研究、結(jié)構(gòu)發(fā)展及應(yīng)用前景
來源 | 電源技術(shù)
作者 | 楊朝蓬，張寧，段志宇
單位 | 中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所
摘要：鋰離子電池作為電動(dòng)汽車動(dòng)力電池首選，維持其工作在最佳溫度范圍需要應(yīng)用散熱系統(tǒng)。
