Comsol 锂电池热效应计算

1. 锂电池

     锂离子电池内部结构主要由电极、集流体(正极铝箔、负极铜箔)、有机电解液、隔膜等几部分构成。另外，在新电池最初几次充放电循环过程中，电池的负极和电解液之间会发生反应形成SEI膜。

①电极：电极是蓄电池的核心，正、负极活性材料参与电化学反应产生电能，是决定电池的容量、电压、能量密度等基本特性的重要部分。

②集流体：电池的集流体是正、负电极的导电骨架，导电特性满足欧姆定律，集流体与外电路连接，均分电极表面电流电位和传导电流。

③有机电解液：有机电解液是电池的重要组成部分，具有高离子导电性，在电池内部的正、负极之间承担着传输电荷的作用，对电池的工作温度范围、循环寿命长短及安全性能等多方面品质都有重要的影响。锂离子电池的工作电压一般都超过 3V，其负极在水溶剂体系中不稳定，因此在锂离子电池中采用非水有机溶剂和具有更高分解电压的溶剂电解质盐等作为锂离子的载体。 

④隔膜：隔膜在电池正、负极之间，主要作用是将电池两极隔开，防止电子通过电池的内电路发生短路，但允许离子在其中通过。由于隔膜不导电，因此在一定程度上降低了正、负极之间的离子导电率，表现为电阻。当电池内部出现温度过高等危险情况时，隔膜能自动的将电池的正、负极断开，起到保护作用。

⑤SEI膜：新的锂离子电池在前几次循环充电过程中有机电解液不可避免地要在碳负极表面上发生还原和分解反应，形成覆盖在电极表面的一层电子绝缘却是锂离子优良导体的固体电解质钝化层膜，称之为SEI（Surface  Electrolyte  Interface）膜或固体电解质相界面，增加了电极和电解液界面之间的电阻，在放电时会出现一定的电压降。但是优良品质的SEI膜具有有机溶剂不溶性，致密性好，并且允许锂离子自由地进出电极而有机溶剂分子不能通过，从而避免了有机溶剂分子共嵌入对电极材料的破坏，因此SEI膜对锂离子电池的电化学性能，如容量、循环寿命、高温性能等均有较大的影响。如果电池的SEI膜遭到破坏，则需要消耗锂离子来修复，因此在电池经过多次循环后，SEI膜有变厚的趋势，相应电阻增加。

⑥相际：电极体系包括正负极材料和电解液，在固液两相之间接触的过渡部分被称为相际，重要的特征是双电层结构，也是电化学反应的地方，有一定的电压降。

      锂离子电池的充放电过程就是锂离子在两电极之间循环的嵌入与嵌出过程，在外电路表现为与锂离子等量的电子迁移运动。在电池充电时，电池正极材料生成锂离以及电子，然后锂离子经过有机电解液和隔膜移动到负极，嵌入到呈层状结构的碳负极材料微孔中，此时正极为贫锂态。负极微孔嵌入的锂离子量越多，表明动力电池充电容量越大。同理，在电池放电使用时，嵌在负极材料微孔中的锂离子脱出，经过有机电解液运动回正极材料，此时正极为富锂态。返回到正极材料的锂离子越多，表明动力电池放电容量越大，在外电路上表现出电荷迁移运动形成电流。如此，电池正负极间的锂离子移动和外电路电子的流动产生电流和电压。

      通过前面对锂离子电池工作原理的分析可以发现，锂离子动力电池生热机理主要是指电池内部各种电化学反应所引起的热行为和锂离子在各组成结构材料内传递受到的物理阻力所产生的欧姆内阻热。另外电极在发生化学反应过程中还会引起极化内阻，锂离子传输过程中会产生容差极化内阻，统称为极化内阻，容差极化内阻跟电流强度、固相扩散系数和液相扩散系数有关。研究发现，锂离子动力电池内部产生的热量主要是由以下几部分组成：电化学反应热Qr、极化热Qp、欧姆内阻热Qj、电解液分解热Qe和SEI 膜分解热Qs。锂离子动力电池在不同使用温度中生热机理也存在差异。在正常使用温度范围内锂离子电池产热量主要来自电化学反应生热、极化内阻生热和欧姆内阻生热。当温度超过 80℃，SEI 膜会发生分解产生热量使电池温升加剧，进而引发电极与电解液分解反应，产生大量热，导致电池起火甚至爆炸。在电池过充电时也会引起正、负极材料与电解液发生反应，产生热量和气体，一定程度上加剧电池温升，但是这部分热量极少并且一般电池都被限制出现过充电现象，因而可以忽略不计，因此对于动力锂离子电池生热量主要考虑前三部分热量。

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2. 模型简介

      搭建了锂离子电池三维几何模型，使用 Comsol软件对锂离子电池三维模型进行热场模拟计算。锂离子电池内部发热形成热源，并在空气中进行自然散热，仿真状态为瞬态仿真，具体计算模型和材料参数设置如图2和3所示。

3. 物理场边界条件

      物理场及边界条件设置如图4所示，网格剖分及质量分布如图5所示。

4. 结果展示

      计算得到锂离子电池温度场分布，电池界面截线的温度如下所示。