鋰電池 電化學(xué)-熱耦合模型

電池的電化學(xué)模型以Newman模型為基礎(chǔ)，由負(fù)極集流體、負(fù)極涂層、隔膜、正極集流體、正極涂層構(gòu)成，將正負(fù)極視為由相同顆粒組成的帶有間隙的多孔電極，顆粒半徑越小，電池充放電循環(huán)性能越好，而電解液則充滿顆粒間空隙，如圖2所示。負(fù)極為石墨，正極為三元材料NCM，電解液為LiPF6，各部分材料參數(shù)見表4。當(dāng)電池處于充電狀態(tài)時(shí)，Li+從正極固體顆粒表面脫出，在電解液中穿過隔膜，在負(fù)極顆粒表面嵌入，形成嵌鋰石墨；當(dāng)電池處于放電狀態(tài)時(shí)，鋰離子從負(fù)極脫出回到正極，鋰離子嵌入和脫出的數(shù)目越多，電池容量越大。由于濃度差的存在，Li+在正負(fù)極顆粒內(nèi)部進(jìn)行固相擴(kuò)散，在電解液中進(jìn)行液相的擴(kuò)散和遷移。

圖2 電化學(xué)模型示意圖

表4 材料參數(shù)

電池產(chǎn)生的熱量包括可逆熱(充放電過程中熵變引起)與不可逆熱(歐姆熱、極化熱)，而可逆熱與極化熱均為電化學(xué)反應(yīng)熱，可逆熱是電池內(nèi)部發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)時(shí)引起的熱量變化，極化熱是由于電池內(nèi)部在伴隨電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的極化內(nèi)阻引起的能量損失，歐姆熱為電流流經(jīng)導(dǎo)電介質(zhì)時(shí)產(chǎn)生的熱量。

傳熱模型為模擬恒溫箱中不同溫度下電池的工作狀態(tài)及溫度變化，建立如圖3(a)所示的依靠空氣對(duì)流散熱的固體傳熱圓柱形電池模型，為模擬恒溫箱內(nèi)的環(huán)境，恒溫箱在維持恒定溫度時(shí)有均值約0.1 m/s的空氣流動(dòng)，故設(shè)置模型空氣流速為0.1 m/s，并構(gòu)建自由四面體網(wǎng)格如圖3(b)所示，模型各部分尺寸如表5所示。

圖3 固體傳熱與空氣對(duì)流散熱模型

表5 幾何模型參數(shù)

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