大圆柱锂离子电池直流内阻分解与电化学-力模拟仿真研究

作     者：秦钱万 

作者单位：中南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李新海

授予年度：2023年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：锂离子电池 电化学-力耦合 大圆柱 DCR分解 模拟仿真 

摘      要：大圆柱锂离子电池因其生产成本低、内阻小以及能量密度高等优点倍受研究者的关注。然而,其特殊的几何结构使得内部的电化学特征与力学特征难以表征。本文基于多孔电极理论和线弹性变形理论,以实验与模拟相结合的方式,研究了34145型大圆柱电池内部的电化学特征和力学特征,揭示了电池设计参数对力学和电化学特性的影响规律。主要研究内容与结果如下:(1)提出了基于大圆柱三电极体系的直流内阻(DCR)分解方法,实现了不同温度、不同倍率条件下DCR分别按组分以及性质的分解。结果表明,随着温度升高以及倍率增加,整体内阻均呈现减小趋势;5℃条件下以负极内阻为主导,其中又以电化学反应内阻为主;而25℃和45℃条件以正极内阻为主导,扩散过程为限速步骤。(2)采用三电极体系测试获得的电极电势以及实验DCR分解结果对构建的P2D电化学-热耦合模型进行验证,电池在不同倍率、不同温度下的电极电势、电池电压曲线和DCR分解的模拟结果与测试值吻合良好,验证了模型的准确性。从模拟角度实现DCR的精细化分解,并以常温1 C放电为例对其变化规律进行深入阐述。其中放电过程中欧姆内阻变化幅度较小,扩散内阻和活化内阻共同决定整体DCR的变化趋势,且扩散内阻主要受到固相扩散内阻的影响。(3)通过构建圆柱形电池原位力学测试装置监测电池应力变化情况,并对不同荷电状态电池进行拆解,分析其极片厚度变化。结果表明,充电过程应力整体呈现快-慢-快的增长趋势,放电过程应力呈现类似的减小趋势;此外电池满充时,压力传感器所呈现最大压力为14 kg(约0.85 MPa),放电结束时,压力为8.5 kg(约0.51 MPa);电池拆解结果表明负极极片厚度变化率约为6%;正极极片厚度变化率约为2%。(4)构建二维同心圆电化学-力耦合模型并进行验证。从浓度场和应变场角度对应力产生以及分布规律进行解析,探究了电池设计参数对力学和电化学特性的影响规律。结果表明,负极膨胀与正极收缩的不匹配性产生的位移被约束导致了应力的产生,圆柱电池中极片N/P比随卷绕圈数的变化以及电极向内外两侧的位移造成了各组分复杂的应力分布规律。此外,结构设计参数主要影响应力的分布,该材料体系中对电化学性能影响较小。图55幅,表7个,参考文献119篇