基于电化学-力耦合模型的锂离子电池扩散极化及扩散应力分析

发布时间：2021-04-23 09:02

　　目前新能源汽车行业快速发展,对高性能锂离子动力电池的需求十分迫切。然而,由于外部使用不当或内部结构设计不合理,锂离子电池内部会产生严重的扩散极化和扩散应力,进而引起电池容量衰退和电极结构失效。本文以电化学和扩散力学理论为基础,采用试验和仿真相结合的研究方法,对影响电池扩散极化和扩散应力的主要因素开展深入研究,为降低电池极化和应力提供理论依据并指导电池结构设计。本文的主要研究内容包括以下几个方面:（1）对研究用三元锂离子电池进行测试获得电池特性参数,测试主要包括容量标定试验,不同倍率和环境温度的充放电试验,混合电流脉冲能力特性（Hybrid Pulse Power Characteristic,HPPC）试验以及电极参考电位试验。通过试验获取电池在不同条件下的电化学特性和极化内阻特性,结果表明:电池在大倍率或者低温环境下放电会造成电压迅速下降并且放电截止容量减小。此外,电池的欧姆内阻和极化内阻随放电深度整体呈增长趋势,低温环境下趋势更加显著。（2）基于锂离子电池电化学原理和扩散力学原理,利用COMSOL软件构建锂离子电池的电化学-力耦合模型并对模型的关键参数进行修正。通过耦合原理可知,电... 

【文章来源】：江苏大学江苏省

【文章页数】：76 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
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第一章 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 锂离子电池的研究基础
        1.2.1 锂离子电池概述
        1.2.2 锂离子电池模型概述
    1.3 锂离子电池扩散问题研究现状
        1.3.1 扩散极化研究现状
        1.3.2 扩散应力研究现状
    1.4 课题主要研究内容
第二章 锂离子电池电化学试验与性能分析
    2.1 试验电池及测试设备
    2.2 电化学性能试验
        2.2.1 室温容量标定
        2.2.2 不同工况恒流放电试验
        2.2.3 HPPC试验
        2.2.4 电极参考电位试验
    2.3 测试结果分析
        2.3.1 电池放电特性分析
        2.3.2 电池放电内阻分析
    2.4 本章小结
第三章 电化学-力耦合模型构建及验证
    3.1 电池电化学模型原理
        3.1.1 固液相物质守恒方程
        3.1.2 固液相电荷守恒方程
        3.1.3 电化学动力学方程
    3.2 电池扩散应力原理
    3.3 电化学-力耦合模型原理及构建
    3.4 模型验证
        3.4.1 不同倍率下验证
        3.4.2 不同环境温度下验证
        3.4.3 HPPC验证
    3.5 本章小结
第四章 锂离子电池扩散极化特性分析
    4.1 固相扩散极化特性分析
        4.1.1 固相锂离子浓度分布规律
        4.1.2 外部影响因素分析
        4.1.3 内部影响因素分析
            4.1.3.1 电极颗粒半径的影响
            4.1.3.2 电极厚度的影响
    4.2 液相扩散极化特性分析
        4.2.1 液相锂离子浓度分布规律
        4.2.2 外部影响因素分析
        4.2.3 内部影响因素分析
            4.2.3.1 电极颗粒半径的影响
            4.2.3.2 电极厚度的影响
    4.3 主要因素对电池放电特性影响分析
        4.3.1 负极粒径
        4.3.2 负极厚度
        4.3.3 正极厚度
    4.4 本章小结
第五章 锂离子电池负极颗粒内扩散应力分析
    5.1 放电过程负极颗粒内扩散应力分布规律
    5.2 外部影响因素分析
        5.2.1 不同放电倍率
        5.2.2 不同环境温度
    5.3 内部影响因素分析
        5.3.1 杨氏弹性模量
        5.3.2 材料的泊松比
        5.3.3 材料的孔隙率
        5.3.4 粒子半径
        5.3.5 电极厚度
    5.4 本章总结
第六章 总结与展望
    6.1 全文总结
    6.2 研究展望
参考文献
致谢
攻读学位期间参加的科研项目及学术成果


【参考文献】：
期刊论文
[1]锂离子电池电极颗粒分布对电化学性能影响的分析[J]. 王靖,柯少勇,黄贤坤,刘永忠.  化工进展. 2018(07)
[2]集流体塑性变形对锂离子电池双层电极中锂扩散和应力的影响[J]. 宋旭,陆勇俊,石明亮,赵翔,王峰会.  物理学报. 2018(14)
[3]国内外锂离子动力电池发展现状及趋势[J]. 刘国芳,赵立金,王东升.  汽车工程师. 2018(03)
[4]锂离子电池充电中断诱导的应力演化[J]. 赵炎翡,吕浡.  机械强度. 2018(01)
[5]基于电化学热耦合模型的锂离子动力电池极化特性[J]. 李书国,艾亮,贾明,程昀,杜双龙,蒋跃辉.  中国有色金属学报. 2018(01)
[6]温度对NCM锂离子动力电池特性的影响[J]. 刘红涛,董红玉.  河南化工. 2017(09)
[7]全国机动车保有量分析——《中国机动车环境管理年报（2017）》第Ⅰ部分[J]. 陈伟程,吉喆,肖寒,王宏丽.  环境保护. 2017(12)
[8]不同充电模式对锂离子电池极化特性影响[J]. 杨帆,乔艳龙,甘德刚,王谦,陈伟.  电工技术学报. 2017(12)
[9]基于锂离子动力电池的分阶段脉冲充电法研究[J]. 高春兰,谢青松,李延强,王彦刚,张瑞雪.  电器与能效管理技术. 2016(18)
[10]基于电化学模型的全固态锂离子电池的放电行为[J]. 洪树,汤依伟,贾明,艾立华,殷宝华,李劼.  中国有色金属学报. 2015(08)

博士论文
[1]高比能量锂离子动力电池热性能及电化学-热耦合行为的研究[D]. 云凤玲.北京有色金属研究总院 2016
[2]锂离子电池数值模型研究[D]. 冯毅.中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所） 2008

硕士论文
[1]方形卷绕式锂离子电池电极应力仿真研究[D]. 王晶.山东大学 2016
[2]我国汽车保有量快速增长对石油需求的影响研究[D]. 顾文娟.北京交通大学 2016



本文编号：3155043