基于Comsol的锂电池穿刺、内短路和过充仿真

  离子电池主要由正极、负极、隔膜和电解液等组分构成，其中隔膜的主要作用是实现正负极之间的电子绝缘，并利用隔膜自身的微孔导通离子。在实际中由于锂枝晶生长，以及在生产过程中引入的导电多余物等可能会引起隔膜的失效，导致锂离子电池发生内短路。内短路时短路点的大电流会导致局部温度快速升高，进而引发电池发生热失控，

      由于锂离子电池内短路的形式有多种，例如内部导电多余物、穿刺和挤压等都会造成不同形式的内短路点，锂电池内部的金属物体相当于一个额外集流体的功能，将引起附近锂离子流向改变，在这些额外的集流体上引起电流集中。

      此次采用Comsol的锂电池模块和固体传热模块，模拟不同情况下的内短路和穿刺。

1、半径毫米级的5欧姆电阻，在单层电芯内部连接正负集流体。

整体最高温度分布

内短路状态下自放电（绿色线），相对比的是正常工况倍率下的放电曲线。

单层电芯温度分布云图和电流密度集中情况。

对于这类内短路计算中，内短路的电阻电导率对结果影响较大。

2、以0.4mm/s速度穿刺一根3mm钢针，同时两层电芯在以1C倍率放电，钢针从一侧集流体贯穿到另一侧集流体外。

可以看到穿刺过程的温度有不同波峰。

整体电压下降趋势

不同穿刺速度、穿刺位置和钢针尺寸都会对结果产生不同影响。

3、

过充仿真以恒流充电方式,过充至5V后，开始恒压充电，充电电流逐渐下降并保持平衡。

过充过程整体内阻不断加大，导致热量聚集，最终引发热失控。

这个过程中内部SEI 膜发生反应的时间较早，Csei在12500s 左右开始明显减少，引发了小幅温度波动，之后逐渐减小至 0，说明此时SEI 膜全部分解。负极、正极和电解液均在 13500s 左右开始剧烈反应，从图中可以看出，负极、正极和电解液反应十分迅速（图中接近垂线部分），反应在短时间内完成。说明 13500s 左右，由于这三部分副反应剧烈，短时间内将产生大量热，导致热量积累。过充 13500s 左右，由于热量大量积累，最终导致电池发生热失控现象。

整体热分布如下：