三元锂离子电池电化学-力耦合建模与应力分析

作     者：李英豪 

作者单位：北京交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：时玮

授予年度：2023年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：锂电池 电化学-力耦合 数值模拟 应力分析 

摘      要：随着“碳达峰、“碳中和等目标的提出,全球能源布局发生了改革。在此背景下,汽车产业也步入电动化方向,从而推动了锂电池等新型电池技术的发展。然而汽车模组的机械约束会影响压力变化,进而影响使用寿命和安全性。因此,需要对模组约束和电池扩散应力的相互作用进行深入研究,而由于目前对于各参数对扩散应力的影响等很难通过实验方法获取,因此本文主要通过建立电化学与扩散应力耦合的模型对电池内部扩散应力分布以及影响因素和外部压力下电池应力分布进行研究,从实验表征、扩散机理分析、模型建立以及基于模型分析等方面展开研究,论文的主要研究内容分为以下几点:(1)首先针对本文所选某款商用三元电池搭建了电池电性能测试平台以及电池循环膨胀应力测试平台,通过对试验电池进行容量标定等基础测试获取试验电池基本性能参数,应力测试包括不同初始夹紧力和不同气压条件下的测试。(2)根据锂离子电池内部电化学原理以及电池内部电化学与力学特性关系建立电化学-力耦合模型,通过一维模型可以分析充放电过程颗粒层面锂浓度分布以及电极层面扩散应力、应变的分布,通过电化学模型中的锂浓度场分布与力模型中应力与应变等参数进行耦合,整个模型通过COMSOL仿真软件实现。(3)模型建立后根据与电池基本性能测试数据对比分析准确度,包括不同倍率放电试验,HPPC(Hybrid Pulse Power Characterization,HPPC)试验以及动态工况试验(Dynamic stress test,DST),经过曲线误差分析,验证了模型准确度较好,可以进行下一步模型应力分析。(4)通过对一维电化学-力耦合模型的分析得出,由于锂离子嵌入和脱出电极活性颗粒速率不一致产生的颗粒内外锂浓度差是诱导电极扩散应力的主要因素,而杨氏模量、温度、电极颗粒半径等参数对电极扩散应力有不同程度的影响。接着建立三维电化学-力耦合模型,从电池的尺度对电池内部扩散应力进行分析。