锂离子电池荷电状态和内部缺陷的超声透射特性仿真研究

作     者：张斌鹏 吕炎 宋国荣 高杰 李永春 何存富 ZHANG Binpeng;LU Yan;SONG Guorong;GAO Jie;LEE Yung-chun;HE Cunfu

作者机构：北京工业大学材料与制造学部北京100124 北京工业大学信息学部北京100124 台湾成功大学机械工程系中国台湾台南701 

出 版 物：《北京工业大学学报》 (Journal of Beijing University of Technology)

年 卷 期：2025年第51卷第3期

页      面：258-268页

核心收录：

学科分类：07[理学] 08[工学] 070206[理学-声学] 0802[工学-机械工程] 0702[理学-物理学] 

基　　金：国家自然科学基金资助项目(12072004) 北京市自然科学基金-北京市教育委员会联合资助项目(KZ202110005005) 

主　　题：锂离子电池 Voronoi多边形 缺陷 荷电状态 超声透射 有限元仿真 

摘      要：采用有限元法分别对锂离子电池的荷电状态(state of charge,SOC)、内部缺陷(气泡缺陷、析锂缺陷和浸润不完全缺陷)与超声透射特性之间的影响规律进行了仿真分析。首先,利用Voronoi多边形建立了锂离子电池内部的多层多孔结构;其次,在仿真过程中,通过改变正负极材料的力学参数(杨氏模量和密度)实现了锂离子电池不同荷电状态下超声透射特性的提取。仿真结果表明,随着荷电状态的增加,快纵波的声强幅值和慢纵波的声强幅值均呈现线性增加的规律,慢纵波的渡越时间呈现线性减小的规律。随后,对锂离子电池内部不同缺陷形式进行仿真分析。通过对比正常电池和缺陷电池的声透射信息可以发现:当锂离子电池底部存在气泡缺陷时,透射信号的声强幅值显著衰减,且随着气泡厚度的增加,声强幅值的衰减也在增加;此外,随着气泡位置的改变,透射信号的声强幅值也呈现规律性变化;当锂离子电池内部存在析锂缺陷时,透射信号的声强幅值和渡越时间均随着析锂厚度的增加而逐渐减小;当锂离子电池内部存在浸润不完全缺陷时,仿真模型将退化为单相多孔介质,频域中也只存在一个频率成分,且声强幅值存在衰减。研究内容解决了用有限元法对锂离子电池荷电状态、内部缺陷进行模拟处理的问题,且慢纵波波速的仿真结果与理论结果吻合良好。