电动汽车中锂离子电池材料测试

电动汽车有可能提高燃油效率，减少对石油的依赖和温室气体的排放。在电动汽车中，锂离子电池因其高能量密度和比能量而成为最广泛使用的电化学储能设备。自锂离子电池商业化以来，其在容量、循环寿命和充电率等各个方面的性能都有了显著提高。剩下的主要问题之一是电池安全，它已在汽车和飞机中造成危险事件1。

电池安全性可能与电化学和热稳定性有关，这需要锂离子电池在相对较窄的温度和电压窗口下工作。这一要求通常在正常操作条件下得到满足。然而，在冲击、过热或过度充电等滥用条件下，电池温度和/或电压可能会超出其各自的安全窗口。当电池温度高于一定水平时，可以激活自持级联放热反应，并且所产生的热量不能再有效地消散。在这种情况下，电池温度可能会持续升高，并可能导致热失控。

电池安全性一直是电动汽车设计中的一个关键焦点。为了防止电池系统中的渗透或其他机械冲击，它们被放置在车辆的相对中心位置，并由专门设计的结构进行保护。

此外，电池组通常包含内部冷却系统，以提高散热并保持温度平衡。此外，Bandhauer等人^[1]提出电池组通常包括一个电子电池管理系统，该系统监测电池的状态，并保护其不在安全操作窗口外操作。

此外，电池中可以包括一个或多个安全功能（如安全通风口、停机分离器和电流中断装置），以防止出现异常情况。这些技术协同工作，可以显著降低锂离子电池故障的严重程度。

另一方面，由于缺乏对电池故障机制的精确了解，旨在防止渗透到电池组中的电池保护系统可能很重且成本高昂，尤其是当电池尺寸增加时。由于重量和成本是运输的溢价，对具有高性能和安全电池的轻型车辆的需求不断增长。因此，通过更好地了解滥用条件下的电池响应和电池故障的根本原因，了解安全裕度并优化电池系统至关重要。

这里的主要目标是建立一个框架，能够预测汽车电池在滥用条件下的结构、电气、电化学和热响应。由于其多物理性质，我们首先确定了不同物理之间的耦合策略。详细的耦合方案如图1所示，可描述如下。电求解器在集电器处提供电势，集电器用作电化学求解器中的边界条件。

后者求解集电器之间的电流密度，并确定电求解器的电流源项。电和电化学求解器连接到热求解器，使得电流密度有助于热方程中的热源项，并因此影响温度演变。温度又通过依赖于温度的材料和传输特性影响电势和电流密度的求解。虽然机械解算器向其他三个解算器提供变形的几何体，但它仅通过与温度相关的结构特性接收来自热解算器的反馈。假设电气和电化学响应对机械变形没有影响。

图1 所提出的多物理模型中的耦合方案摘要

在电池表面，热量可以通过对流和辐射传递。后者在滥用烤箱的场景中很重要38。机械求解器计算外力引起的电池变形的动量守恒方程，其中根据变形过程使用显式或隐式数值格式。

上述建模框架以及适当的材料特性可用于评估电池行为和各种滥用情况下热失控的可能开始条件。图2显示了使用该框架模拟袋状电池在机械冲击下的响应的示例，其中Marcicki等人^[2]提出厚壳元件用于离散电池组件，可以激活不同的热源项和边界条件来模拟其他滥用情况，如过热。

图2 在圆柱形压头引起的机械冲击下，袋状细胞的模拟响应

[1] Bandhauer, T., Garimella, S. & Fuller, T. A critical review of thermal issues in lithium-ion batteries. J. Electrochem. Soc. 158, R1–R25 (2011).

[2] Marcicki, J. et al. A simulation framework for battery cell impact safety modeling using LS-DYNA. J. Electrochem. Soc. 164, A6440–A6448 (2017).

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