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Amesim電池?zé)崾Э啬P?/h1>
2021-11-18 14:38:49·  來源:Simcenter 1D 系統(tǒng)仿真  作者:高琢  
 
1. 概述本文旨在描述Amesim中的電池?zé)崾Э啬P偷慕T?、使用方法,在電池?zé)崾Э剡^程中,各階段反應(yīng)放熱模型以及各參數(shù)的物理意義。模型原理:對于各階段的化
1. 概述
本文旨在描述Amesim中的電池?zé)崾Э啬P偷慕T怼⑹褂梅椒?,在電池?zé)崾Э剡^程中,各階段反應(yīng)放熱模型以及各參數(shù)的物理意義。
模型原理:對于各階段的化學(xué)反應(yīng),基于用戶通過熱測試試驗標定好的參數(shù),根據(jù)半經(jīng)驗公式(Arrhenius)計算各階段的反應(yīng)速率,再由反應(yīng)速率對時間積分計算反應(yīng)物質(zhì)消耗及其放熱量。詳細過程如下所述。
2. 電池?zé)崾Э剡^程
2.1. 產(chǎn)生原因
當鋰電芯內(nèi)部的生熱速率超過單體對外部的散熱速率時,鋰電池將發(fā)生熱失控現(xiàn)象。因此,鋰電池在任何情況下(充電/放電/存儲),都有安全溫度的限制要求Tlim。


A)正常工作區(qū)與失控發(fā)生區(qū) B)外部溫度升高導(dǎo)致熱失控 C)換熱能力下降導(dǎo)致熱失控

電池?zé)崾Э氐某梢蛴卸喾N,取決于電池自身的狀態(tài)以及外部因素
  • 內(nèi)部原因:
例如:電池內(nèi)部化學(xué)原因?qū)е碌膬?nèi)部短路,電池自身的設(shè)計缺陷,電池的生產(chǎn)制造缺陷,電池的過充,BMS的軟硬件故障。
  • 外部原因:
例如:機械外力(事故)導(dǎo)致的電池內(nèi)部短路(穿刺等),外部環(huán)境溫度過高,外部電路短路等。
鋰電池?zé)崾Э氐钠鹗紲囟龋∣TR-onset of Thermal Runaway)一度被認為是鋰的熔點,大概180degC。但實際上在這之前已經(jīng)發(fā)生了一系列的持續(xù)放熱化學(xué)反應(yīng),因此,實際熱失控的起始溫度要遠低于該值,對于一塊充滿的鋰電池,熱失控一旦發(fā)生,其內(nèi)部溫度將持續(xù)增高,最高可達600 degC。下面說明鋰電池?zé)崾Э貙?yīng)的各階段及其過程:
2.2 反應(yīng)過程
2.2.1 固體電解質(zhì)膜(SEI)反應(yīng)
在將近100 degC的條件下,亞穩(wěn)態(tài)(metastable)的固體電解質(zhì)膜((CH2OCO2Li)2)發(fā)生分解反應(yīng),轉(zhuǎn)化為穩(wěn)態(tài)(stable)的固體電解質(zhì)膜(Li2CO3),并釋放氣體導(dǎo)致鋰電池內(nèi)部壓力升高。該反應(yīng)為放熱反應(yīng),將電池內(nèi)部溫度持續(xù)推高。
主要反應(yīng)方程式:


試驗表明,該反應(yīng)速率與電解液的成分以及電池的負極材料屬性相關(guān)。對應(yīng)Amesim中的過程:SEI stabilization。
2.2.2 負極發(fā)生與電解液溶劑反應(yīng)
在120 degC左右,負極內(nèi)嵌的鋰原子與電解液溶劑發(fā)生反應(yīng),形成一層穩(wěn)態(tài)SEI附著于負極。該反應(yīng)為放熱反應(yīng),將電池內(nèi)部溫度持續(xù)推高。
主要反應(yīng)方程式:


試驗表明,該反應(yīng)速率與電解液的成分相關(guān)。對應(yīng)Amesim中的過程:Solvent reduction onthe negative electrode (SEI formation)
2.2.3 正極發(fā)生與電解液溶劑反應(yīng)
在170 degC左右,正極開始和電解液溶劑發(fā)生反應(yīng)。由于正極通常為不同化學(xué)混合(例如:不同的金屬氧化物)。因此無法給出確定的反應(yīng)方程式。



試驗得到的不同正極材料的反應(yīng)溫升率
由于電極上活性物質(zhì)與電解液溶劑發(fā)生還原反應(yīng),在高溫下釋放出氧氣,而氧氣又進一步與電解液溶劑發(fā)生氧化反應(yīng)。
主要反應(yīng)方程式:


試驗表明,該反應(yīng)速率與電解液的成分以及電池的負極材料屬性相關(guān)。對應(yīng)Amesim中的過程:Positive electrodedecomposition 。
2.2.4. 電解液溶質(zhì)分解反應(yīng)
超過100 degC之后,電解液溶質(zhì)鋰鹽LiPF6開始分解;對于充電狀態(tài)的碳負極化學(xué)活性非常高,接近金屬鋰,在高溫下表面的SEI膜分解,嵌入石墨的鋰離子與電解液、黏結(jié)劑會發(fā)生反應(yīng),進一步把電池溫度推高到150℃,此溫度下又有新的劇烈放熱反應(yīng)發(fā)生,例如電解質(zhì)大量分解,生成PF5+HF,PF5進一步催化有機溶劑發(fā)生分解反應(yīng)等。這些反應(yīng)能夠?qū)㈦娦緶囟韧浦?30~280 degC。
對應(yīng)Amesim中的過程: Electrolytedecomposition
2.2.5. 內(nèi)部短路(隔膜熔化)
在150~200℃范圍內(nèi),電池內(nèi)聚烯烴隔膜發(fā)生熱收縮或熔融,隔膜融化本身為吸熱過程,因此會觀察到電芯溫度略有下降。隨著隔膜的進一步融化,導(dǎo)致電池大面積短路,劇烈放熱,使得電池進一步溫升及加速內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)。
對應(yīng)Amesim中的過程: Self-discharge /short-circuit
2.2.6. 氣體泄漏
隨著電解液發(fā)生劇烈的氧化反應(yīng),釋放出大量的熱,產(chǎn)生高溫和大量有毒且具有腐蝕性的氣體。例如:CO, CO2, HF。當電芯內(nèi)部壓強超過電芯封裝的承受能力時,將發(fā)生氣體泄漏,甚至爆炸。
對應(yīng)Amesim中的過程: Venting
3. 電池?zé)崾Э馗鞑糠只瘜W(xué)反應(yīng)放熱模型
3.1. 各部分化學(xué)反應(yīng)放熱量計算
3.1.1. 固體電解質(zhì)膜(SEI)反應(yīng)
將SEI視為由穩(wěn)態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)的兩種物質(zhì)構(gòu)成。以xSEI表示亞穩(wěn)態(tài)SEI中鋰離子的質(zhì)量占比(無量綱)。從60 degC附近開始,亞穩(wěn)態(tài)的SEI將開始分解反應(yīng)并放熱。定義其反應(yīng)速率為RSEI,則有:


由該反應(yīng)產(chǎn)生的放熱量為:


上述反應(yīng)公式中的參數(shù)取值參考值如下:


3.1.2. 負極發(fā)生與電解液溶劑反應(yīng)
電解液溶劑的消耗速率與負極上穩(wěn)態(tài)SEI生成的速率一致,此消彼長。其中,用ZSEI表示穩(wěn)態(tài)SEI所占比重,xneg表示負極電解液溶劑消耗量所占比重。以-Rneg表示反應(yīng)速率。


這里通過項來表示反應(yīng)速率受到擴散濃度的制約,zSEI越大,則反應(yīng)越慢。鋰離子的傳輸阻力與穩(wěn)態(tài)SEI的厚度成指數(shù)相關(guān)。
因此,該部分的反應(yīng)放熱率為:


上述反應(yīng)公式中的參數(shù)取值參考值如下:


3.1.3. 正極發(fā)生與電解液溶劑反應(yīng)
把正極與電解液溶劑反應(yīng)的轉(zhuǎn)化因子定義為xpos,則它的導(dǎo)數(shù)即為反應(yīng)速率。
因此,該部分的反應(yīng)放熱率為:


由于正極反應(yīng)導(dǎo)致的電池容量損失:


用比例因子FQres來表示剩余容量與初始容量的關(guān)系,該因子的計算方式如下:


參考取值如下:


xpos在上表中的值為電池充滿狀態(tài)下的取值,它與放熱反應(yīng)開始時的SOC相關(guān),用戶可以調(diào)整。其中為wvpos為密度,因此代入到放熱率計算公式還需乘以單體體積。
3.1.4. 電解液溶質(zhì)分解反應(yīng)
高溫狀態(tài)下,電解液不再穩(wěn)定,電解液溶質(zhì)(例如:LiPF6)將與空氣發(fā)生氧化反應(yīng)。以無量綱數(shù) θe表示參加反應(yīng)的電解質(zhì)。則反應(yīng)速率為(此處xe應(yīng)為θe):


因此,該部分的反應(yīng)放熱率為:


電解質(zhì)LiPF6對應(yīng)的參考取值如下,其他類型的數(shù)值需用戶自行修改:


3.1.5. 自放電(隔膜熔化)
高溫下,隔膜熔融后電池內(nèi)部將出現(xiàn)大量短路,這將直接導(dǎo)致鋰電池端電壓輸出下降到0V。鋰電池內(nèi)部的短路電路大小為:


單體產(chǎn)生的熱量由下式計算得到:


在此過程單中,由于SOC下降到0%或OCV下降到0V是完全有可能發(fā)生的,因此需要等效電路模型中的OCV標定中,保證OCV =f(SOC,Temp)的對應(yīng)關(guān)系的正確性。通常作為是在電池等效電路模型OCV的參數(shù)表中加入一個擴展的擬合點:SOC=-20%或OCV=0V。
3.2. 氣體泄漏計算
3.2.1. 各部分反應(yīng)的氣體生成量
各部分反應(yīng)對應(yīng)的氣體生成量(單位:[mol/kg],每千克反應(yīng)物對應(yīng)生成的氣體mol數(shù)。):
  • 固體電解質(zhì)膜(SEI)反應(yīng):Vgsei
  • 負極反應(yīng):Vgn
  • 正極反應(yīng):Vgp
  • 電解質(zhì)反應(yīng):Vge
每種反應(yīng)對應(yīng)的氣體生成速率計算如下:


3.2.2. 電芯內(nèi)部壓強
由于各部分反應(yīng)產(chǎn)生氣體,單體內(nèi)部的壓強將隨反應(yīng)過程上升,計算方式如下:


當單體內(nèi)部壓強與外部環(huán)境壓強的差值超過設(shè)定值時,將導(dǎo)致泄壓閥打開、氣體泄漏或單體爆炸。


泄漏氣壓以及各部分反應(yīng)氣體生成量的變化過程如下圖所示:


3.2.3. 氣體泄漏量
一旦泄壓開始,整個過程視為絕熱過程,并且泄壓過程對電池單體的宏觀質(zhì)量沒有影響。氣體的泄露量取決于泄漏氣體的馬赫數(shù),計算方式如下:


基于上述泄漏氣體的馬赫數(shù),可以計算出:
泄漏氣體的壓強:


泄漏氣體的溫度:


泄漏氣體的速度:


由此可以計算氣體泄漏的速率:


其中,Avent泄漏區(qū)域的面積,ngas為泄漏氣體的mol量。


3.2.4. 由泄漏產(chǎn)生的吸熱
由于氣體泄漏導(dǎo)致單體內(nèi)部壓力驟降,單體內(nèi)部被吸收熱量速率為:


其中,Vh為單體內(nèi)部的剩余空間,以圓柱形的電池為例,可以取其體積的10%。
氣體泄漏吸熱導(dǎo)致的瞬時單體溫度下降,仿真與試驗結(jié)果對比如下:


3.3. 電芯整體發(fā)熱量計算
單體整體的熱交換計算如下:


上式中,內(nèi)部短路自放電過程除了產(chǎn)生Φec外,還會引起熵?zé)嶙兓?,遲滯損失。以及由等效電路模型引起的歐姆損失、電荷轉(zhuǎn)移損失、擴散損失。
--------------------完 --------------------- 
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