內(nèi)短路
關(guān)注創(chuàng)建者：琳泓c(diǎn)omsol 創(chuàng)建時(shí)間：2022-02-27
內(nèi)短路的視頻教程
fluent新能源電池仿真專題課程
講解如何在fluent中實(shí)現(xiàn)鋰電池電池模型建立，網(wǎng)格劃分，充放電過(guò)程仿真、電磁存在內(nèi)外部短路情況的仿真及結(jié)果后處理等。
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內(nèi)短路的實(shí)例教程
在實(shí)際中由于鋰枝晶生長(zhǎng)，以及在生產(chǎn)過(guò)程中引入的導(dǎo)電多余物等可能會(huì)引起隔膜的失效，導(dǎo)致鋰離子電池發(fā)生內(nèi)短路。內(nèi)短路時(shí)短路點(diǎn)的大電流會(huì)導(dǎo)致局部溫度快速升高，進(jìn)而引發(fā)電池發(fā)生熱失控，</p><p> </p><p> 由于鋰離子電池內(nèi)短路的形式有多種，例如內(nèi)部導(dǎo)電多余物、針刺和擠壓等都會(huì)造成不同形式的內(nèi)短路點(diǎn)，鋰電池內(nèi)部的金屬物體相當(dāng)于一個(gè)額外集流體的功能，將引起附近鋰離子流向改變，在這些額外的集流體上引起電流集中。</p><p><br></p><p><img src="https://www.yqgqt.org.cn/platform/static/ueditor/themes/default/images/spacer.gif"></p><div contenteditable="false" width="100%"><img src="https://img.jishulink.com/upload/202202/0d7dddb4d3b34fb884a092f89cd55105.png" title="QQ圖片20220227133341.png" alt="QQ圖片20220227133341.png" style="max-width:760px;" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/upload/202202/0d7dddb4d3b34fb884a092f89cd55105.png?
展開 1.4 內(nèi)短路機(jī)理
Maleki等采用實(shí)驗(yàn)和熱建模的方法研究了內(nèi)短路。Santhanagopalan等模擬了鋰離子電池可能出現(xiàn)內(nèi)短路的場(chǎng)景，增進(jìn)了對(duì)內(nèi)短路的理解。Ouyang等認(rèn)為多種濫用條件下熱失控的共性過(guò)程是內(nèi)短路，并提出一種基于電池組內(nèi)電池一致性的內(nèi)短路檢測(cè)方法，有助于電池管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)內(nèi)短路檢測(cè)。目前的研究表明，內(nèi)短路是由隔膜崩潰造成的，這是熱失控的直接原因。儲(chǔ)能電站鋰離子電池服役條件復(fù)雜，極易造成電池的電濫用，使電池負(fù)極析鋰形成鋰枝晶刺穿隔膜引發(fā)內(nèi)短路。電池發(fā)生內(nèi)短路后瞬間釋放大量的熱量，使得電池溫度迅速升高從而發(fā)生電池?zé)崾Э亍?duì)電池內(nèi)短路機(jī)理的研究有助于理解熱失控發(fā)生的過(guò)程，并對(duì)電池內(nèi)短路進(jìn)行預(yù)測(cè)。綜上可知，熱失控演化過(guò)程中，鋰離子電池副反應(yīng)既會(huì)產(chǎn)生熱量，又會(huì)產(chǎn)生氣體。電池溫度的升高是熱量積累的結(jié)果，電池內(nèi)壓增高是氣體在電池殼密閉空間積聚的結(jié)果。當(dāng)熱量和氣體積累到一定程度時(shí)，電池安全閥打開，噴出大量氣體，可燃?xì)怏w和空氣迅速混合。熱失控繼續(xù)進(jìn)行，化學(xué)反應(yīng)速率迅速加快使升溫速率和氣體產(chǎn)生速率驟升，滿足著火條件時(shí)，電池發(fā)生起火燃燒。當(dāng)然，也有可能是高速率泄氣過(guò)程中產(chǎn)生的電火花點(diǎn)燃可燃?xì)怏w引發(fā)的燃燒。對(duì)于儲(chǔ)能電站而言，局部燃燒產(chǎn)生之后，大量高溫可燃有毒混合煙氣會(huì)發(fā)生氣體流動(dòng)運(yùn)移現(xiàn)象，當(dāng)可燃?xì)怏w在受限空間積聚到一定程度時(shí)，遇到點(diǎn)火源，發(fā)生氣體爆炸。據(jù)此，儲(chǔ)能電站鋰離子電池的熱失控演化過(guò)程可根據(jù)其熱失控特性劃分為放熱、產(chǎn)氣、增壓、噴煙、起火燃燒、氣體爆炸六個(gè)過(guò)程，如圖4所示。基于熱失控特性理解這六個(gè)過(guò)程是研究熱失控防控技術(shù)的基礎(chǔ)。
展開 <br></p>
</div><p><br></p><p> 此次我們主要討論內(nèi)短路，內(nèi)短路引起電池?zé)崾Э剌^為普遍。各種各樣的原因都可能產(chǎn)生不同類型的內(nèi)短路，包括機(jī)械變形、擠壓、撕裂，隔膜破裂、過(guò)充過(guò)放、極端過(guò)熱。更危險(xiǎn)的一種內(nèi)短路是自引發(fā)內(nèi)短路，如在制造過(guò)程中隨機(jī)摻雜的雜質(zhì)和顆粒，在長(zhǎng)期運(yùn)行之后累積演變發(fā)生的內(nèi)短路，導(dǎo)致事故。</p><div contenteditable="false" width="100%"><img src="https://img.jishulink.com/upload/202112/0a313462d1a441d1b6053a64b8696b4a.png" title="QQ圖片20211209213641.png" alt="QQ圖片20211209213641.png" style="max-width:760px;" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/upload/202112/0a313462d1a441d1b6053a64b8696b4a.png?image_process=/format,webp" data-pc-src="https://img.jishulink.com/upload/202112/0a313462d1a441d1b6053a64b8696b4a.png?
展開 相較傳統(tǒng)的鋁箔集流體其可靠性更高，能更好地避免正負(fù)極短路。配合上下涂覆的兩個(gè)安全涂層，便形成了最終的五層安全結(jié)構(gòu)。
先把這些材料做個(gè)梳理：
一、OPPO的復(fù)合集流體技術(shù)
OPPO是在7月舉辦的“閃充開放日”上發(fā)布這項(xiàng)電池技術(shù)的。此技術(shù)是針對(duì)電芯本身的安全和充電技術(shù)的安全，取名字叫“夾心式安全電池”，采用的是在一層新型高分子復(fù)合材料的基礎(chǔ)上，鍍上兩層鋁，再涂上安全涂層，形成一個(gè)五層安全結(jié)構(gòu)的“三明治”夾心集流體。
圖2 夾心電池的示意圖
在電池受到外力擠壓沖撞時(shí)，這個(gè)五層結(jié)構(gòu)的集流體，既能大大降低電池內(nèi)部短路的概率，夾心層中的高分子材料還能隔絕正負(fù)極，OPPO 是通過(guò)外部沖擊和針刺兩種演示方式，來(lái)體現(xiàn)常規(guī)集流體和復(fù)合集流體的差異的。
圖3 復(fù)合集流體技術(shù)在沖擊測(cè)試中的保護(hù)
圖4 復(fù)合集流體技術(shù)在針刺過(guò)程中的阻斷效果
二、C家的復(fù)合集流體
我把申報(bào)材料中的內(nèi)容簡(jiǎn)化一下：
1）安全性
鋁箔通過(guò)熱-機(jī)械載荷斷路的電池內(nèi)短路模擬仿真，引入真空氣相沉積技術(shù)，構(gòu)建了“金屬導(dǎo)電層-高分子支撐層-金屬導(dǎo)電層”三明治結(jié)構(gòu)復(fù)合集流體。通過(guò)金屬層與高分子層機(jī)械-電-熱性能的多重耦合關(guān)系，
在“點(diǎn)接觸”內(nèi)短路時(shí)，導(dǎo)電層在短路點(diǎn)受力開裂剝離或在短路大電流瞬間熔斷，毫秒內(nèi)切斷短路電流回路；
在“面接觸”內(nèi)短路時(shí)，支撐層在短路面受熱熔融收縮形成集流體結(jié)構(gòu)局部坍塌，在熱失控前切斷短路電流回路。
根據(jù)這種設(shè)計(jì)，解決了高鎳電池內(nèi)短路難題，徹底解決了電池因內(nèi)短路易引發(fā)熱失控的行業(yè)難題。
展開 綜合事故發(fā)生的概率，我們可以看出，內(nèi)部短路與外部短路是多種故障的共性問(wèn)題，內(nèi)部短路涉及了52%的事故概率，而外部短路涉及了26%的事故概率，過(guò)充電涉及了20%的事故概率，由過(guò)放電引發(fā)電池起火的可能性從理論上講是存在的，但在實(shí)際情況中從未出現(xiàn)。
2.1 內(nèi)部短路故障機(jī)理
從觸發(fā)機(jī)制上看，內(nèi)部短路有三類不同的類型，第一類是自引發(fā)內(nèi)短路，第二類是由于過(guò)充電/過(guò)放電引發(fā)的內(nèi)短路，第三類則是由于機(jī)械破壞引發(fā)的內(nèi)短路。自引發(fā)內(nèi)短路潛伏性強(qiáng)、作用時(shí)間長(zhǎng)。自引發(fā)內(nèi)短路主要是由于電池內(nèi)部原因所導(dǎo)致，包括正極材料摻雜，隔膜材質(zhì)不佳，銅箔鋁箔分切毛刺，疊片、卷繞錯(cuò)位，以及電解液浸潤(rùn)不均等。自引發(fā)內(nèi)短路潛伏性強(qiáng)、作用時(shí)間長(zhǎng)；過(guò)充電/過(guò)放電時(shí)會(huì)在電極形成許多針狀晶枝，這些針狀晶枝會(huì)刺破電池隔膜，造成多個(gè)微小的短路回路，并持續(xù)放熱，需要注意的是，過(guò)充引發(fā)的內(nèi)短路也并不一定立刻觸發(fā)熱失控，有可能這個(gè)過(guò)程的溫升還不足以達(dá)到熱失控臨界閾值，在車輛駛離充電站之后，由于內(nèi)短路的持續(xù)運(yùn)作，電池溫度繼續(xù)攀升而達(dá)到失控溫度引發(fā)車輛起火。機(jī)械破壞引發(fā)內(nèi)短路是汽車碰撞時(shí)電池被擠壓/穿刺而引發(fā)，這類情況難以預(yù)測(cè)，只能通過(guò)恰當(dāng)?shù)膽?yīng)對(duì)措施來(lái)降低危害。
2.2 過(guò)充電故障機(jī)理
關(guān)于電池過(guò)充電的故障機(jī)理目前已有較為成熟的研究，當(dāng)電池發(fā)生過(guò)充電時(shí)，由于負(fù)極的儲(chǔ)存格已裝滿，后續(xù)的鋰離子會(huì)堆積于負(fù)極材料表面形成金屬鋰，并由負(fù)極表面往鋰離子來(lái)的方向長(zhǎng)出樹枝狀結(jié)晶，形成的金屬鋰結(jié)晶會(huì)穿破隔膜使正負(fù)極短路從而引發(fā)短路。
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內(nèi)短路的最新內(nèi)容
該研究使用的基礎(chǔ)介質(zhì)擁有高達(dá)1.9×101? Ω·cm的體積電阻率，其優(yōu)異的非解離性確保在使用周期內(nèi)杜絕微短路與極化引發(fā)的熱失控。
高分子材料的長(zhǎng)期相容性： 電池內(nèi)部具有大量橡膠密封件與工程塑料結(jié)構(gòu)件。經(jīng)過(guò)充分老化測(cè)試，該新型介質(zhì)因不含芳香烴、硫等活性基團(tuán)，證明了其與各類高分子基材的完全無(wú)損相容，杜絕了樹脂腐蝕、橡膠溶脹等潛在失效風(fēng)險(xiǎn)。
為此本案例針對(duì)117Ah三元鋰方形電池，在Fluent中使用UDF/UDS定義了SEI膜分解、負(fù)極與電解液反應(yīng)、正極分解反應(yīng)、電解質(zhì)分解等過(guò)程，并利用T2之后溫度與溫升速率的函數(shù)關(guān)系得到內(nèi)短路產(chǎn)熱的表達(dá)式。
新能源電池包熱應(yīng)力防護(hù)如何筑牢安全防線？6個(gè)月前
當(dāng)單電芯因內(nèi)短路發(fā)生熱失控時(shí)，溫度會(huì)在10-15秒內(nèi)從常溫驟升至300℃以上，無(wú)防護(hù)狀態(tài)下熱失控蔓延時(shí)間僅3分鐘。
Ansys+清華大學(xué)：聚焦電池安全，探索仿真前沿8個(gè)月前
新國(guó)標(biāo)首次提出因內(nèi)短路發(fā)生熱失控后不起火不爆炸的要求，被稱為“史上最嚴(yán)電池安全令”。動(dòng)力電池新國(guó)標(biāo)實(shí)施后將有效降低碰撞后新能源汽車動(dòng)力電池燃燒的風(fēng)險(xiǎn)，可以更好地保護(hù)消費(fèi)者的生命安全，同時(shí)也對(duì)所有整車和電池企業(yè)提出新要求，尤其是對(duì)熱失控?zé)崧雍诵募夹g(shù)提出了更高的要求。
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張高陽(yáng) | 重慶大學(xué) 碩士研究生
作品名稱：電池系統(tǒng)熱失控多物理場(chǎng)建模及高溫氣體疏導(dǎo)措施研究
作品簡(jiǎn)介：本案例針對(duì)117Ah三元鋰方形電池，在Fluent中使用UDF和UDS定義了電池?zé)崾Э豐EI膜分解、負(fù)極與電解液反應(yīng)、正極分解反應(yīng)、電解質(zhì)分解等過(guò)程并建立T2之后溫度與溫升速率的函數(shù)關(guān)系得到內(nèi)短路釋放熱量的表達(dá)式。
這種狀態(tài)通常由幾個(gè)關(guān)鍵因素引起，?包括過(guò)熱、?過(guò)充、?內(nèi)短路和碰撞等。?當(dāng)電池的熱失控達(dá)到一定溫度后，?電池內(nèi)部的溫度會(huì)直線上升，?從而導(dǎo)致燃燒爆炸。
我們時(shí)不時(shí)會(huì)在新聞中看到電動(dòng)汽車起火的事故，電動(dòng)汽車起火事件中，很多時(shí)候都與汽車電池有關(guān)。作為電動(dòng)汽車的“心臟”，電池組的設(shè)計(jì)、制造、使用和維護(hù)等環(huán)節(jié)都可能存在安全隱患。一旦電池出現(xiàn)問(wèn)題，就可能殃及其他。
動(dòng)力電池應(yīng)用案例
(1) PEMFC燃料電堆模擬
(2) 反應(yīng)濕度對(duì)PEMFC性能影響
(3) PEMFC水管理
(4) 燃料電池電芯仿真
(5) 電池單體倍率性能分析
(6) 基于MSMD方法的電池單體熱仿真
(7) 電池單體熱仿真
(8) 電池PACK串并聯(lián)電特性分析
(9) 電池?zé)崾Э胤治?(10) 基于MSMD方法的電池包短路仿真
(11) 電池針刺或內(nèi)外部短路分析
圖2 電池單體擠壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果
在電池殼體受到擠壓后，內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞，電池內(nèi)部發(fā)生內(nèi)短路，在加載過(guò)程中，加載力隨著時(shí)間的推移逐步增大，具體演變?nèi)鐖D3所示。
為滿足水下航行器的能量和功率需求，鋰電池組常采用單體密堆積方式成組，且水下航行器的電池艙段為密封環(huán)境，鋰電池組長(zhǎng)時(shí)間高倍率放電所產(chǎn)生的熱量容易積累，導(dǎo)致部分單體電池溫度過(guò)高，發(fā)生內(nèi)短路，進(jìn)而引發(fā)熱失控[1]。因此，對(duì)水下航行器的電池艙段進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)及仿真分析，對(duì)保證水中裝備鋰電池組的安全可靠工作具備重要意義。
除此之外，浸潤(rùn)飽和率不足還會(huì)導(dǎo)致負(fù)極鋰枝晶生長(zhǎng)刺穿隔膜引發(fā)內(nèi)短路，造成嚴(yán)重的熱安全事故［95］。
注液工藝對(duì)環(huán)境要求十分嚴(yán)苛，一般要求將未封裝的電池置于露點(diǎn)溫度-40 ℃以下的真空環(huán)境進(jìn)行注液工藝，以防止注液過(guò)程中極片及電解液吸水產(chǎn)生副反應(yīng)。一般企業(yè)將浸潤(rùn)工藝的時(shí)間延長(zhǎng)至數(shù)天以保證電解液對(duì)極片及隔膜的完全浸潤(rùn)，極大地降低了電池的制造速率并增加了制造成本。
