NCM三元锂动力电池热失控研究与仿真

发布时间：2020-08-18 17:59

【摘要】：锂离子电池尤其三元锂离子电池,因其综合性能较好,已成为电动汽车能量源的较佳选择。然而,由锂离子电池热失控问题引发的电动汽车安全事故不断发生,严重影响了锂离子电池在电动汽车上的推广应用。因此,针对锂离子电池热失控的研究具有重要意义。本文主要利用仿真的方法,研究锂离子电池在不同滥用条件下的热失控现象,分析影响锂离子电池热安全性的因素并提出相关建议。本文分析了锂离子电池的结构组成、工作原理、生热和传热机理,同时对锂离子电池发生热失控的机理、原因以及主要副反应类型等进行了研究分析,为电池热失控研究提供了理论依据。以电动汽车用镍钴锰三元锂电池为研究对象,利用COMSOL软件建立三维热滥用模型,模拟锂离子电池160℃、165℃、175℃和200℃炉箱加热试验,仿真分析该锂离子电池在高温条件下的热失控行为。建立三维电-热耦合模型模拟锂离子电池0.1C、0.3C和0.5C过充电试验,仿真分析该电池在过充电条件下的热失控行为。此外,本文还分析了不同条件下副反应进程及产热情况,并研究了散热条件、材料稳定性以及对流换热系数对热失控的影响。研究结果表明,160℃为本文仿真电池发生热失控的临界安全温度,高于160℃时电池将发生热失控现象;电池温度越高,发生热失控的时间越早;副反应是引发锂离子电池热失控的直接原因,负极反应、正极反应以及电解液分解对热失控影响较大;散热条件越好、材料稳定性越高,电池越不容易发生热失控。同时,锂离子电池在0.1C、0.3C和0.5C过充电条件下将发生热失控现象;随着过充电流增大,电池发生热失控的时间提前;良好的散热条件对过充电热失控具有一定的抑制作用,但当过充电流较大时,散热条件对热失控的影响作用变得不太明显。根据仿真结果,分析了影响锂离子电池热安全性的因素,并从过温保护、改善散热条件、过充电保护、热失控预警等不同方面提出相关建议,为提高锂离子电池热安全性提供依据。
【学位授予单位】：长安大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U469.72
【图文】：

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图 1.1 2011 年-2016 年国内电动汽车火灾事故图 1.2 电动汽车着火原因统计生着火事故，将带来严重后果。图 1.3 所示为特斯拉金属残片导致电池起火的事故现场[8]。1年 2012年 2013年 2014年 2015年 207%10%10%31%10%7%25%碰撞浸水充电自燃不明原被引燃其它

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锂离子电池发展及应用，电动汽车续驶里程短、不能满足人们长距离出行要求的弊端严重影。为解决这一问题，加快电动汽车的发展和应用，人们不断提出了新“再生制动”的出现和应用。虽然这一控制策略能够回收一部分能量高了电动汽车的行驶里程，但效果不太明显。作为电动汽车“心脏”决这一问题的关键。因此，高能量密度和高功率密度成为对动力电池也加快了对锂离子电池的研究。常见的磷酸铁锂电池由于能量密度较这一要求，而三元锂离子电池如镍钴锰酸锂电池（Li(NixCoyMnz)O2酸锂电池（Li(NixCoyAlz)O2，NCA）等因其高能量密度等优势逐渐进断应用在电动汽车领域且应用规模不断扩大。近几年来，我国对三元不断增加。图 1.4 所示为 2015 年—2020 年我国三元锂离子电池产量

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第一章绪论能好和成本适中等诸多优点成为目前应用较多的三元锂电池。NCM 三元锂电式为 Li(NixCoyMnz)O2，x、y、z 之和为 1。镍是主要活性成份，电池容量随着增多而增大。但是，镍含量过多则会引起电池容量下降，钴的存在可以防止容锰离子能够提高电池的稳定性和安全性。镍和钴性质相似，但镍和锰的价格低种材料混合可以降低电池成本。前，已研制出不同体系的 NCM 三元锂电池，比较常见的比例体系有：1:1:1（3M 三元锂电池）、5:2:3（523 型 NCM 三元锂电池）和 8:1:1（811 型三元锂电池值是指 NCM 三元锂电池中镍、钴、锰三种元素的摩尔之比，也即 x:y:z）。CM 三元锂电池的化学结构为六方晶系的 α-NaFeO2型层状岩盐结构，如图 1.5

【参考文献】