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Prueba de temperatura de la batería de litio

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Prueba de temperatura de la batería de litio

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Las baterías de iones de litio tienen muchas ventajas, como una alta energía específica, una alta potencia específica y una plataforma de alto voltaje, y tienen buenas perspectivas de aplicación en el almacenamiento de energía y los vehículos eléctricos de nueva energía. La estructura celular de las actuales baterías de iones de litio puede dividirse en estructuras apiladas y bobinadas. En comparación con las estructuras enrolladas, las estructuras apiladas pueden aumentar la capacidad de la batería y reducir la resistencia interna. Sin embargo, este método de disposición puede provocar fácilmente una distribución desigual de la temperatura a lo largo de la dirección plana de la batería durante la descarga a alta velocidad. Para analizar el problema de la distribución desigual de la temperatura de la batería, se puede establecer un modelo preciso de simulación de la batería para aclarar las características de la distribución del campo de temperatura, con el fin de proporcionar a los fabricantes de baterías más información sobre la optimización de la estructura de la batería.

Es habitual utilizar el método de los elementos finitos para el análisis de simulación de múltiples campos físicos en las baterías. En la modelización, los investigadores suelen utilizar un modelo de parámetros lumped no estratificado para analizar la distribución del campo de temperatura de las baterías mediante el acoplamiento de un modelo unidimensional. O ignoran el gradiente de temperatura a lo largo de la dirección del espesor de la batería y sólo analizan la distribución de la temperatura en la superficie de la batería. De hecho, las baterías de iones de litio tienen una estructura tridimensional en capas y diferentes fuentes de calor en distintas partes, lo que inevitablemente conduce a una distribución desigual de la temperatura en el interior de la batería. Con el fin de predecir con mayor precisión la electroquímica y la distribución del campo de temperatura de cada capa de las baterías de iones de litio, este artículo establece un modelo tridimensional de acoplamiento térmico electroquímico de una sola capa basado en un software de análisis de campos multifísicos, y estudia las características y la distribución del campo de temperatura de las diferentes partes de la batería sobre esta base. El trabajo de investigación de este artículo puede proporcionar una base teórica para la optimización estructural de las baterías de iones de litio y el desarrollo de la gestión térmica de las baterías.

1 Modelo térmico

Este artículo toma como objeto de investigación las baterías eléctricas de iones de litio apiladas cuadradas. La batería está compuesta por 60 pares de electrodos apilados, cada uno de los cuales consta de cinco partes: colector de corriente del electrodo positivo, material activo del electrodo positivo, material activo del electrodo negativo y colector de corriente del electrodo negativo. Durante el proceso de descarga, la corriente fluye a través de la oreja del electrodo negativo, pasa por el diafragma y los electrodos positivo y negativo, y finalmente fluye desde la oreja del electrodo positivo. Durante este proceso, se observarán complejas reacciones químicas y electroquímicas y procesos de transporte de materiales, que provocarán cambios en el campo de temperatura interno de la batería. En respuesta a este fenómeno, este artículo establece un modelo tridimensional de acoplamiento térmico electroquímico mediante el acoplamiento de la conservación de la masa, la carga, la energía y la cinética electroquímica. Se estudian las características electroquímicas y térmicas de la batería durante el proceso de descarga.

2 Ensayo

En el modelo de distribución tridimensional, nos centramos en las características de distribución interna del sistema electroquímico, incluyendo la distribución del potencial, la distribución del SOC, la distribución de la densidad de corriente y la distribución de la concentración de iones de litio. Debido a la dificultad de medir las características de distribución electroquímica de las baterías mediante experimentos, este artículo las verifica comparando las características electroquímicas externas de las baterías. La plataforma de pruebas incluye principalmente la cámara de alta y baja temperatura DGBELL, el armario de carga y descarga y el software de simulación de campo multifísico. Antes de la prueba, cargue la batería al máximo con una corriente de 1 C y déjela reposar durante 1 hora. A continuación, realice una descarga de corriente constante de 1 C y 2 C en la batería y registre los cambios de tensión durante el proceso de descarga. Tras comparar los resultados de la simulación y los experimentales, se observa que la coherencia entre los resultados experimentales y los de la simulación es buena, y se ha verificado la precisión del modelo.

2.1 Distribución de la densidad de corriente

La distribución de la densidad de corriente en los colectores de corriente positivo y negativo de la batería al final de la descarga de 2 C. Durante el proceso de descarga, toda la corriente fluye desde el circuito externo hacia la oreja del electrodo negativo y se distribuye por toda la zona de captación de corriente negativa. A medida que aumenta la distancia desde la oreja del electrodo negativo, la densidad de corriente disminuye gradualmente. Esto se debe a que una parte de la corriente que fluye hacia la oreja del polo lo hace perpendicularmente a la dirección de la estructura sándwich. La corriente que fluye a través de la celda de la pila se denomina corriente de trabajo local, que transfiere las cargas implicadas en la reacción electroquímica desde el electrodo negativo al positivo. Durante el funcionamiento de la batería, una distribución desigual de la corriente de trabajo local puede provocar una sobrecarga o descarga local, afectando así a la seguridad y la vida útil de la batería. Por lo tanto, comprender este parámetro clave es extremadamente importante.

Durante el proceso de descarga, la densidad de corriente de reacción en la región de la oreja polar cambia del valor máximo al mínimo. Esto puede deberse a que durante el haz de descarga, los iones de litio en el electrolito de la región de la oreja polar están casi agotados, reduciendo así la velocidad de reacción electroquímica cerca de la oreja polar. Al final de la descarga, se produjo un gradiente significativo en la densidad de corriente de reacción de la batería, que puede deberse a la gran polarización de concentración de la batería en la última fase de la descarga, lo que dio lugar a una distribución de gradiente significativa de la densidad de corriente de reacción. Sin embargo, durante el proceso de descarga, el gradiente de la densidad de corriente de reacción del electrodo no es significativo, lo que indica que la velocidad de reacción electroquímica dentro del electrodo es básicamente estable.

2.2 Distribución de potencial

La uniformidad de la distribución del potencial afecta al rendimiento de las baterías. El elevado potencial local de la batería puede provocar una grave falta de uniformidad en el rendimiento de las placas de la batería, lo que reduce su rendimiento. Durante la descarga 2C, la distribución de potencial en fase sólida del ánodo y el cátodo indica la existencia de una importante distribución de gradiente de tensión durante el proceso de descarga. Durante la descarga, la corriente fluye hacia el interior de la batería desde el electrodo negativo y luego fluye hacia el exterior desde el electrodo positivo. Según la ley de Ohm, el potencial disminuye en la dirección de la corriente. Por lo tanto, el potencial más alto del ánodo se encuentra en la oreja del electrodo negativo, mientras que el potencial más bajo del cátodo se encuentra en la oreja del electrodo positivo. Además, debido a la acumulación de corriente que entra o sale de la batería en las orejas de electrodo, el cambio de potencial en la zona de conexión entre las orejas de electrodo y la placa de electrodo es muy desigual, y la distribución de potencial en las partes restantes de la placa de electrodo es relativamente uniforme.

2.3 Análisis de las características de temperatura

La descarga de las baterías de iones de litio es un proceso típico de conductividad térmica transitoria que a veces varía a partir de una fuente de calor interna. Distribución del campo de temperatura de baterías con diferentes profundidades de descarga en condiciones de descarga de 2 C. Durante el proceso de descarga, la temperatura de la batería aumenta continuamente. Sin embargo, la velocidad de aumento de la temperatura de la batería no es la misma en las distintas posiciones. En la fase inicial de la descarga, la tasa de aumento de la temperatura cerca de la zona de la oreja del polo es mayor, mientras que la tasa de aumento de la temperatura lejos de la zona de la oreja del polo es menor.

A medida que el proceso de descarga se profundiza, la tasa de aumento de la temperatura lejos de las orejas de los electrodos aumenta, posiblemente debido al agotamiento de los iones de litio en las orejas de los electrodos en la última fase de la descarga, lo que provoca una disminución de la densidad de la corriente de reacción en la zona de las orejas de los electrodos y una disminución de la tasa de generación de calor óhmico. Sin embargo, en la zona inferior de la batería, debido al bajo consumo de corriente en la etapa inicial de la descarga de iones de litio, el contenido de iones de litio es relativamente abundante en la etapa posterior de la descarga, y el número de iones de litio que participan en la reacción aumenta significativamente, lo que da lugar a un aumento de la densidad de corriente de reacción en la zona inferior de la batería y a un aumento de la tasa de generación de calor óhmico en la etapa posterior de la descarga. Durante el proceso de descarga, la densidad de corriente de reacción en la región del electrodo positivo cambió del valor máximo al mínimo, lo que demuestra aún más los resultados de la simulación.

3 Conclusión

Este artículo propone un modelo de acoplamiento electroquímico tridimensional mediante el acoplamiento de ecuaciones de masa, carga, energía y cinética electroquímica. Utilizando este modelo, se ha estudiado la distribución espacio-temporal de las características térmicas de baterías de iones de litio apiladas. Las principales conclusiones son las siguientes:

(1) Analizar con precisión los cambios del campo de temperatura y las características de generación de calor de una batería de iones de cedro tridimensional electroquímica y tridimensional térmicamente acoplada.

(2) Al establecer un modelo de acoplamiento térmico electroquímico tridimensional, los métodos experimentales tradicionales pueden obtener resultados difíciles de obtener, como la distribución de potencial local y la distribución de densidad de corriente de las baterías

(3) Durante el proceso de descarga a corriente constante, existe un gradiente de temperatura significativo en el interior de la batería, especialmente en la zona de transición entre la espiga y la placa, donde el gradiente de temperatura cambia más.

(4) La tasa de aumento de temperatura de la batería en diferentes posiciones durante el proceso de descarga no es la misma. En la fase inicial de la descarga, la tasa de aumento de la temperatura en la zona de la oreja polar es la más alta, mientras que la tasa de aumento de la temperatura en la zona inferior de la batería, lejos de la oreja polar, es relativamente pequeña. Sin embargo, se observa una tendencia al aumento en la última fase de la descarga. El modelo térmico electroquímico tridimensional establecido en este artículo proporciona un método eficaz para observar el comportamiento electroquímico y térmico interno de las baterías de iones de litio, y tiene buenas perspectivas de aplicación para guiar el diseño de optimización de las estructuras monoméricas de las baterías de litio