COMSOL Multiphysics对锂离子电池的热失控模拟

仿真揭示了，放热条件可能导致热引燃。

在锂离子电池的开发过程中，安全设计与评估在预防热失控引起的着火等问题中发挥着重要的作用。我们使用模拟技术，如COMSOL Multiphysics来了解各种现象对锂离子电池的影响，评估电池的安全性。本文介绍了一种建模的方法来测试在锂电池里的化学反应放热的安全性。

“如果释放的热量比由内部和外部放热产生的热量大，电池将会是热稳定的状态。如果释放的热量少，温度就会稳步上升并导致热失控。”

我们的模拟着眼于使用热分析来评估热失控条件。考虑了三种放热形式：

使用加热箱和加速量热仪（ARC）的外部加热
化学反应（热降解反应，燃烧等）产生的内部热量，和
热（热传导、辐射）。

如果释放的热量比由内部和外部放热产生的热量大，电池将会是热稳定的状态；如果释放的热量少，温度就会稳步上升，并将导致热失控。 在加热试验的模拟中，外部热源使用加热箱供热。

图1.活性材料的热化学反应DSC测量

一种反应热模型

当模拟化学反应产生的内部热时，有几个物理现象必须考虑。首先，分离膜和电解质的热降解，这将影响电导率。其次，负极的电解质反应，涉及多种反应，不能用单一反应来描述。本研究中，反应分两步进行：固体电解质接触面（SEI）和通过SEI的负极电解质反应。最后，在模型中也包含了正极电解质反应。“COMSOL Multiphysics是电池分析的理想平台。”

表1.分析条件（18650圆柱形电池）

我们进行了一系列在匀速升温的化学反应的差示扫描量热仪分析（DSC）来获得参数拟合的反应热模型。图1显示的是一个DSC测量的例子，一个1小时温度升高的过程（5°C/分钟），其中正电极是LiCoO2，负电极是碳，电解液是一种碳酸乙烯（EC）和碳酸二乙酯（DEC）的混合物。从图一中DSC测量的结果看出，生热率系数——单位时间单位体积产生的热量——随温度变化的曲线。

图2. 利用反应速率公式计算的在升温过程中(5°C/min)的反应比率分析

图二显示了各种材料在升温过程中的反应率，分析使用了由实验得来的峰值拟合反应率计算公式。第一个发生的反应是在SEI和负极之间，紧随其后的是在温度范围100°---200°C下的电极电解液反应。SEI膜的厚度抑制负极的反应率，但是这个反应率由于反应的进行(150°C to 200°C)仍然是增长的，这里反应和然后直接参与电解液的反应是迅速增长的(200°C – 250°C)。

安全试验模拟

通过反应速率公式，我们进行了参数拟合。分析了一种18650圆柱形电池，它有一个LiCoO2正电极，碳负电极，EC和DEC混合的电解液。这些模拟，材料属性的密度，比热，在电极表面传热系数和其他材料等，都采用正极板，负极板和阻隔膜测量值的平均值。对于垂直于电极表面的区域，我们使用复合薄膜的热扩散系数。我们将从电池表面的热释放表示为热传导和热辐射的总和。传热系数依赖于通风条件，热辐射依赖于表面材料。我们通过拟合加热箱实验测得的表面温度变化来确定热传导和热辐射系数。表1列出了分析条件。

图3. 电池表面温度随时间在目标温度：145°C, 153°C和155°C下加热测试模拟的变化图

图3显示了加热测试模拟的结果。气温上升并且维持在不同的温度点。在一个145°C的目标温度，我们观测到一些自加热效应，但是温度是稳定的，没有产生热失控。然而，在155°C时，热失控发生，表面温度急剧上升。在153°C的目标温度下，表面温度上升然后又稳定下来了。然而，随着化学反应的进行，表面温度上升到超过100°C，这即是我们用来判断有效地形成了热失控的依据。

图4.在目标温度为155°C（上图）热失控开始时内部温度和负电极的反应比的等值面（下图）

图4显示了在热失控发生于155°C的目标温度时的内部温度分布和负电极反应率分布。电池的中央部分是最热的，在电池两端和中间的温差达到了80°C。来自ARC的使用同类型电池测试的结果显示自加热在温度高于73°C后被观测到，热失控开始于150°C。这些结果表明通过模拟得到的热失控的温度预测是正确的。

图5. 一个内部短路产生热量20W（上派）和100W（下排）的热失控引起的随时间变化的温度分布(颜色等高线)和负电极反应率的等值面

图5展示了一个延伸的安全研究，这里我们研究由于内部短路引起的灾难。显示在热失控下经过一段时间的温度分布和在内部各自短路产生的热源为20W以及100W下时负电极反应率的等值面。几十秒钟后，一个宽的反应区被观测到从中芯附近向电池两端移动。

延伸的电池分析

COMSOL Multiphysics是一款理想的电池分析平台，可以考虑在不同的尺度下的多物理场耦合分析，比如对化学反应模型公式的修改，为电流分布分析的积分边界条件的使用，对不同区域不同物理现象的分析。通过正确地模拟所有与锂离子电池加热和冷却相关的物理现象，我们能够将研究范围扩展到锂电池可能引起的灾难。