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Test de température des piles au lithium

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Test de température des piles au lithium

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Les batteries lithium-ion présentent de nombreux avantages, tels qu'une énergie spécifique élevée, une puissance spécifique élevée et une plate-forme de tension élevée, et ont de bonnes perspectives d'application dans le domaine du stockage de l'énergie et des véhicules électriques à énergie nouvelle. La structure cellulaire des batteries lithium-ion existantes peut être divisée en deux catégories : les structures en couches et les structures enroulées. Par rapport aux structures enroulées, les structures empilées peuvent augmenter la capacité de la batterie et réduire la résistance interne. Cependant, cette méthode d'arrangement peut facilement conduire à une distribution inégale de la température le long de la direction du plan de la batterie lors d'une décharge à haute vitesse. Afin d'analyser le problème de la répartition inégale de la température de la batterie, un modèle de simulation de batterie précis peut être établi pour clarifier les caractéristiques de la répartition du champ de température, afin de fournir aux fabricants de batteries plus d'informations sur l'optimisation de la structure de la batterie.

Il est courant d'utiliser la méthode des éléments finis pour l'analyse de simulation de multiples champs physiques dans les batteries. Dans la modélisation, les chercheurs utilisent généralement un modèle à paramètres forfaitaires non stratifié pour analyser la distribution du champ de température des batteries en couplant un modèle unidimensionnel. Ils ignorent également le gradient de température le long de la direction de l'épaisseur de la batterie et n'analysent que la distribution de la température de surface de la batterie. En fait, les batteries lithium-ion ont une structure tridimensionnelle en couches et différentes sources de chaleur dans différentes parties, ce qui conduit inévitablement à une distribution inégale de la température à l'intérieur de la batterie. Afin de prédire avec plus de précision l'électrochimie et la distribution du champ de température de chaque couche des batteries lithium-ion, cet article établit un modèle de couplage thermique électrochimique monocouche tridimensionnel basé sur un logiciel d'analyse de champ multiphysique, et étudie les caractéristiques et la distribution du champ de température des différentes parties de la batterie sur cette base. Les travaux de recherche présentés dans cet article peuvent fournir une base théorique pour l'optimisation structurelle des batteries lithium-ion et le développement de la gestion thermique des batteries.

1 Modèle thermique

Cet article prend comme objet de recherche les batteries lithium-ion empilées en carré. La batterie est composée de 60 paires d'électrodes empilées, chacune étant constituée de cinq parties : le collecteur de courant de l'électrode positive, le matériau actif de l'électrode positive, le matériau actif de l'électrode négative et le collecteur de courant de l'électrode négative. Au cours du processus de décharge, le courant passe par l'oreille de l'électrode négative, traverse le diaphragme et les électrodes positives et négatives, et sort finalement de l'oreille de l'électrode positive. Au cours de ce processus, des réactions chimiques et électrochimiques complexes et des processus de transport de matériaux sont observés, ce qui entraîne des changements dans le champ de température interne de la batterie. En réponse à ce phénomène, cet article établit un modèle de couplage thermique électrochimique tridimensionnel en couplant la masse, la charge, la conservation de l'énergie et la cinétique électrochimique. Étude des caractéristiques électrochimiques et thermiques de la batterie pendant le processus de décharge.

2. Essai

Dans le modèle de distribution tridimensionnel, nous nous concentrons sur les caractéristiques de distribution interne du système électrochimique, y compris la distribution du potentiel, la distribution du SOC, la distribution de la densité du courant et la distribution de la concentration en ions lithium. En raison de la difficulté de mesurer les caractéristiques de distribution électrochimique des batteries par des expériences, cet article les vérifie en comparant les caractéristiques électrochimiques externes des batteries. La plate-forme d'essai comprend principalement la chambre à haute et basse température DGBELL, l'armoire de charge et de décharge et le logiciel de simulation de champ multiphysique. Avant le test, chargez la batterie à fond avec un courant de 1 C et laissez-la reposer pendant une heure. Ensuite, effectuez une décharge à courant constant de 1 C et 2 C sur la batterie, et enregistrez les changements de tension pendant le processus de décharge. Après avoir comparé les résultats de la simulation et de l'expérience, on peut constater que la cohérence entre les résultats de l'expérience et de la simulation est bonne, et que la précision du modèle a été vérifiée.

2.1 Distribution de la densité de courant

La distribution de la densité de courant sur les collecteurs de courant positif et négatif de la batterie à la fin d'une décharge de 2 C. Pendant le processus de décharge, tout le courant circule du circuit externe vers l'oreille de l'électrode négative et est distribué dans toute la zone de collecte du courant négatif. Au fur et à mesure que la distance par rapport à l'oreille de l'électrode négative augmente, la densité du courant diminue progressivement. Cela s'explique par le fait qu'une partie du courant entrant dans l'oreille polaire circule perpendiculairement à la direction de la structure sandwich. Le courant qui circule dans la cellule de la batterie est appelé courant de travail local, qui transfère les charges impliquées dans la réaction électrochimique de l'électrode négative à l'électrode positive. Pendant le fonctionnement de la batterie, une distribution inégale du courant de travail local peut entraîner une surcharge ou une décharge locale, affectant ainsi la sécurité et la durée de vie de la batterie. Il est donc extrêmement important de comprendre ce paramètre clé.

Pendant le processus de décharge, la densité du courant de réaction dans la région de l'oreille polaire passe de la valeur maximale à la valeur minimale. Cela peut s'expliquer par le fait que, pendant le faisceau de décharge, les ions lithium de l'électrolyte dans la région de l'oreille polaire sont presque épuisés, ce qui réduit le taux de réaction électrochimique près de l'oreille polaire. À la fin de la décharge, il y avait un gradient significatif dans la densité du courant de réaction de la batterie, ce qui peut être dû à la polarisation de la concentration importante de la batterie dans la dernière phase de la décharge, résultant en une distribution de gradient significative de la densité du courant de réaction. Cependant, pendant le processus de décharge, le gradient de la densité du courant de réaction de l'électrode n'est pas significatif, ce qui indique que le taux de réaction électrochimique à l'intérieur de l'électrode est fondamentalement stable.

2.2 Distribution du potentiel

L'uniformité de la distribution du potentiel affecte les performances des batteries. Le potentiel local élevé de la batterie peut conduire à une non-uniformité sévère dans la performance des plaques de la batterie, réduisant ainsi la performance de la batterie. Pendant la décharge 2C, la distribution de potentiel en phase solide de l'anode et de la cathode indique l'existence d'une distribution de gradient de tension significative pendant le processus de décharge. Pendant la décharge, le courant entre dans la batterie par l'électrode négative et ressort par l'électrode positive. Selon la loi d'Ohm, le potentiel diminue dans le sens du courant. Par conséquent, le potentiel le plus élevé de l'anode est situé sur l'oreille de l'électrode négative, tandis que le potentiel le plus bas de la cathode est situé sur l'oreille de l'électrode positive. En outre, en raison de l'accumulation du courant entrant ou sortant de la batterie au niveau des oreilles des électrodes, le changement de potentiel dans la zone de connexion entre les oreilles des électrodes et la plaque d'électrode est très inégal, et la distribution du potentiel dans les autres parties de la plaque d'électrode est relativement uniforme.

2.3 Analyse des caractéristiques de température

La décharge des batteries lithium-ion est un processus transitoire typique de conductivité thermique qui varie parfois à partir d'une source de chaleur interne. Distribution du champ de température des batteries avec différentes profondeurs de décharge dans des conditions de décharge à 2 C. Pendant le processus de décharge, la température de la batterie augmente continuellement. Cependant, la vitesse d'augmentation de la température de la batterie n'est pas la même à différents endroits. Au début de la décharge, le taux d'augmentation de la température près de la zone de l'oreille polaire est plus élevé, tandis que le taux d'augmentation de la température loin de la zone de l'oreille polaire est plus faible.

Au fur et à mesure que le processus de décharge s'approfondit, la vitesse d'augmentation de la température loin des oreilles de l'électrode augmente, probablement en raison de l'épuisement des ions lithium dans les oreilles de l'électrode au cours de la dernière phase de décharge, ce qui entraîne une diminution de la densité du courant de réaction dans la zone de l'oreille de l'électrode et une diminution de la vitesse de génération de chaleur ohmique. Toutefois, dans la zone inférieure de la batterie, en raison de la faible consommation de flux au début de la décharge des ions lithium, le contenu en ions lithium est relativement abondant dans la phase ultérieure de la décharge, et le nombre d'ions lithium participant à la réaction augmente considérablement, ce qui entraîne une augmentation de la densité du courant de réaction dans la zone inférieure de la batterie et une augmentation du taux de production de chaleur ohmique dans la phase ultérieure de la décharge. Au cours du processus de décharge, la densité du courant de réaction dans la région de l'électrode positive est passée de la valeur maximale à la valeur minimale, ce qui confirme les résultats de la simulation.

3 conclusion

Cet article propose un modèle de couplage électrochimique tridimensionnel en couplant les équations de masse, de charge, d'énergie et de cinétique électrochimique. En utilisant ce modèle, la distribution spatio-temporelle des caractéristiques thermiques des batteries lithium-ion empilées a été étudiée. Les principales conclusions sont les suivantes :

(1) Analyser avec précision les changements de champ de température et les caractéristiques de production de chaleur d'une batterie électrochimique tridimensionnelle et d'une batterie à ions de cèdre tridimensionnelle à couplage thermique.

(2) En établissant un modèle de couplage thermique électrochimique tridimensionnel, les méthodes expérimentales traditionnelles peuvent obtenir des résultats difficiles à obtenir, tels que la distribution du potentiel local et la distribution de la densité de courant des batteries

(3) Pendant le processus de décharge à courant constant, il existe un gradient de température important à l'intérieur de la batterie, en particulier dans la zone de transition entre l'oreille et la plaque, où le gradient de température change le plus.

(4) Le taux d'augmentation de la température de la batterie à différentes positions pendant le processus de décharge n'est pas le même. Au début de la décharge, le taux d'augmentation de la température dans la zone de l'oreille polaire est le plus élevé, tandis que le taux d'augmentation de la température dans la zone inférieure de la batterie, loin de l'oreille polaire, est relativement faible. Cependant, on observe une tendance à l'augmentation dans la phase finale de la décharge. Le modèle thermique électrochimique tridimensionnel établi dans cet article fournit une méthode efficace pour observer le comportement électrochimique et thermique interne des batteries au lithium-ion, et a de bonnes perspectives d'application pour guider la conception de l'optimisation des structures monomères des batteries au lithium