一种基于电热耦合模型研究锂电池析锂的方法

摘要

本发明提供一种基于电热耦合模型研究锂电池析锂的方法，包括以下步骤：1)使用软件建立瞬态的一维锂离子电池电化学模型；2)在所述电化学模型中引入SEI膜和析锂电极副反应；3)在软件中建立三维热模型，并与所述电化学模型耦合，形成电热耦合模型，赋予电热耦合模型电池参数；4)分别划分所述电化学模型和三维热模型的网格；5)设置所述电化学模型和三维热模型初始化参数并计算。本发明通过在有限元软件中建立电化学‑热耦合模型，得到低温下，不同倍率下的三元锂离子电池充电曲线以及负极处固液相电势差曲线，可以判断电池是否析出锂晶体，得到析锂副反应的电流密度图，从机理上研究析锂问题，为研究锂电池的老化问题提供数据支持。

说明书

技术领域

本发明属于电化学领域，具体涉及一种基于电热耦合模型研究锂电池析锂的方法。

背景技术

自从进入二十一世纪以来，锂离子电池技术在智能手机、智能手表、平板电脑/笔记本电脑、电动自行车以及电动工具等各种应用中得到了广泛的应用。但是，锂离子电池也遇到了一定的瓶颈，例如SEI膜的生长造成电池的老化，锂离子的析出形成锂枝晶造成电池的老化以及安全性问题。

近年来，对于锂离子电池析锂问题的研究成为热点。对于锂离子电池析锂的机理问题成为了研究该问题的关键，能够对将来进一步的研究电池的老化和安全问题提供一个突破的方向。现有技术中研究析锂的方法是利用长时间的电池老化实验，将老化后的电池进行拆解，通过电镜扫描等方式来分析是否有锂离子的析出，实验时间长，拆解电池难度较大，且无法获得锂析出电流密度图，无法为研究锂电池的老化问题提供数据支持。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种基于电热耦合模型研究锂电池析锂的方法，通过仿真的方式得到锂电池在低温下充电时会产生析锂电流，进而产生锂枝晶，获得锂析出电流密度图，该方法可以避免长时间的电池实验，解决了研究锂离子电池析锂困难的问题，为研究锂电池的老化问题提供数据支持。

本发明的技术方案是：一种基于电热耦合模型研究锂电池析锂的方法，包括以下步骤：

1)使用软件建立瞬态的一维锂离子电池电化学模型；

2)在所述电化学模型中引入SEI膜和析锂电极副反应；

3)在软件中建立三维热模型，并与所述电化学模型耦合，形成电热耦合模型，赋予电热耦合模型电池参数；

4)分别划分所述电化学模型和三维热模型的网格；

5)设置所述电化学模型和三维热模型初始化参数并计算，得到析锂的结果。

上述方案中，所述步骤1)使用COMSOL软件建立一维锂离子电池电化学模型。

上述方案中，所述步骤2)具体为：在所述电化学模型中负极的多孔电极下添加SEI膜与析锂的多孔电极副反应。

进一步的，初始的SEI膜的厚度为1*10

上述方案中，所述步骤3)具体为：在所述电化学模型基础上，建立锂电池三维热模型，传热的方式是固体传热，与所述电化学模型形成耦合，并将电池的参数输入到电热耦合模型中，所述电化学模型为三维热模型提供热源及发热功率，三维热模型将温度反馈给电化学模型。

上述方案中，所述锂电池为18650锂电池。

上述方案中，所述步骤4)中电化学模型的网格为点网格，三维热模型的网格为薄壁自由四面体网格。

上述方案中，所述步骤5)将电化学模型和三维热模型的初始化参数设置为：初始电压为3V，初始充电电流为0.5～1.5C，总时间步长为2400-7200s，步长为24-72s。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过在有限元软件中建立电化学-热耦合模型，得到低温下，不同倍率下的三元锂离子电池充电曲线以及负极处固液相电势差曲线，可以判断电池是否析出锂晶体，得到析锂副反应的电流密度图，从机理上研究析锂问题，为研究锂电池的老化问题提供数据支持。

附图说明

图1为本发明的总流程图。

图2为本发明三元锂离子电池的参数表。

图3为本发明所建立的电池三维热模型。

图4为本发明电池三维热模型网格划分图。

图5为本发明电化学模型网格划分图。

图6为本发明不同倍率充电时电压图。

图7为本发明不同倍率充电时SEI膜副反应的电流密度图。

图8为本发明不同倍率充电时电池负极与隔膜处的固液相电势差。

图9为实施例1计算完成后的析锂副反应的电流密度图。

图10为实施例2计算完成后的析锂副反应的电流密度图。

图11为实施例3计算完成后的析锂副反应的电流密度图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，一种基于电热耦合模型研究锂电池析锂的方法，包括以下步骤：

1)根据图2的三元锂离子电池的参数表使用软件建立瞬态的一维锂离子电池电化学模型；

2)在所述电化学模型中引入SEI膜和析锂电极副反应；

3)在软件中建立三维热模型，并与所述电化学模型耦合，形成电热耦合模型，赋予电热耦合模型电池参数；

4)分别划分所述电化学模型和三维热模型的网格；

5)设置所述电化学模型和三维热模型初始化参数并计算，得到析锂的结果。

优选的，所述步骤1)使用COMSOL有限元软件建立一维锂离子电池电化学模型。

优选的，所述步骤2)具体为：在所述电化学模型中负极的多孔电极下添加SEI膜与析锂的多孔电极副反应。

优选的，初始的SEI膜的厚度为1*10

优选的，所述步骤3)具体为：在所述电化学模型基础上，建立锂电池三维热模型，传热的方式是固体传热，与所述电化学模型形成耦合，并将电池的参数输入到电热耦合模型中，所述电化学模型为三维热模型提供热源及发热功率，三维热模型将温度反馈给电化学模型。

优选的，所述锂电池为18650锂电池。

优选的，所述步骤4)中电化学模型的网格为点网格，三维热模型的网格为薄壁自由四面体网格。

优选的，所述步骤5)将电化学模型和三维热模型的初始化参数设置为：初始电压为3V，初始充电电流为0.5～1.5C，总时间步长为2400-7200s，步长为24-72s。

实施例1：

一种基于电热耦合模型研究锂电池析锂的方法，包括如下步骤：

(1)使用软件建立瞬态的一维锂离子电池电化学模型

进入COMSOL有限元软件主页面，选择“模型导向”，新建一维锂离子电池电化学模型，并选择“研究”为瞬态，设定一维电化学模型，三条线段，分别为负极、隔膜和正极。

(2)在所述电化学模型中引入SEI膜和析锂电极副反应

所述电化学模型中负极的多孔电极下添加SEI膜与析锂的多孔电极副反应，初始的SEI膜的厚度为1*10

(3)在软件中建立三维热模型，并与所述电化学模型耦合，形成电热耦合模型，赋予电热耦合模型电池参数

在COMSOL有限元软件“几何”中，分别建立3个圆柱体，分别为电池的极柱，电芯主体，以及正极极柱，将这几个圆柱体形成联合体，如图3所示。

(4)分别划分所述电化学模型和三维热模型的网格

所述电化学模型的网格选择点网格，如图4所示，所述三维热模型的网格选择自由四面体网格，如图5所示。

(5)设置所述电化学模型和三维热模型初始化参数并计算

设置电化学模型的初始电压为3V，初始充电电流为0.5C。热模型的初始温度为273.15K。

进入研究，设置“步骤1”为电流初始化分布，在“步骤2：瞬态”中设定总步长时间为7200s，步长为72s，并检查是否有参数设置错误，若无错误则单击“＝计算”进入计算。计算完成后，在“结果”中对计算数据进行分析处理。

本实施例所得到析锂结果中，电池的电压曲线如图3中C＝0.5的曲线，SEI副反应的电流图如图4中C＝0.5的曲线，固液相电势差如图5中C＝0.5的曲线，电池在5960s产生了析锂，计算完成后的锂析出电流图如图7所示。

实施例2：

一种基于电热耦合模型研究锂电池析锂的方法，包括如下步骤：

(1)使用软件建立瞬态的一维锂离子电池电化学模型

进入COMSOL有限元软件主页面，选择“模型导向”，新建一维锂离子电池电化学模型，并选择“研究”为瞬态，设定一维电化学模型，三条线段，分别为负极、隔膜和正极。

(2)在所述电化学模型中引入SEI膜和析锂电极副反应

在所述电化学模型中引入SEI膜和析锂电极副反应；具体的，所述电化学模型中负极的多孔电极下添加SEI膜与析锂的多孔电极副反应，初始的SEI膜的厚度为1*10

(3)在软件中建立三维热模型，并与所述电化学模型耦合，形成电热耦合模型，赋予电热耦合模型电池参数

在COMSOL有限元软件“几何”中，分别建立3个圆柱体，分别为电池的极柱，电芯主体，以及正极极柱，将这几个圆柱体形成联合体，如图3所示

(4)分别划分所述电化学模型和三维热模型的网格

所述电化学模型的网格选择点网格，如图4所示，所述三维热模型的网格选择自由四面体网格，如图5所示。

(5)设置所述电化学模型和三维热模型初始化参数并计算

设置电化学模型的初始电压为3V，初始充电电流为1C。热模型的初始温度为273.15K。

进入研究，设置“步骤1”为电流初始化分布，在“步骤2：瞬态”中设定总步长时间为3600s，步长为36s，并检查是否有参数设置错误，若无错误则单击“＝计算”进入计算。计算完成后，在“结果”中对计算数据进行分析处理。

本实施例所得到析锂结果中，电池的电压曲线如图6中C＝1的曲线，SEI副反应的电流图如图7中C＝1的曲线，固液相电势差如图8中C＝1的曲线，电池在2950s产生了析锂电流，计算完成后的锂析出电流密度图如图10所示。

实施例3：

一种基于电热耦合模型研究锂电池析锂的方法，包括如下步骤：

(1)使用软件建立瞬态的一维锂离子电池电化学模型

进入COMSOL有限元软件主页面，选择“模型导向”，新建一维锂离子电池电化学模型，并选择“研究”为瞬态，设定一维电化学模型，三条线段，分别为负极、隔膜和正极。

(2)在所述电化学模型中引入SEI膜和析锂电极副反应

在所述电化学模型中引入SEI膜和析锂电极副反应；具体的，所述电化学模型中负极的多孔电极下添加SEI膜与析锂的多孔电极副反应，初始的SEI膜的厚度为1*10

(3)在软件中建立三维热模型，并与所述电化学模型耦合，形成电热耦合模型，赋予电热耦合模型电池参数

在COMSOL有限元软件“几何”中，分别建立3个圆柱体，分别为电池的极柱，电芯主体，以及正极极柱，将这几个圆柱体形成联合体，如图3所示

(4)分别划分所述电化学模型和三维热模型的网格

所述电化学模型的网格选择点网格，如图4所示，所述三维热模型的网格选择自由四面体网格，如图5所示。

(5)设置所述电化学模型和三维热模型初始化参数并计算

设置电化学模型的初始电压为3V，初始充电电流为1.5C。热模型的初始温度为273.15K。

进入研究，设置“步骤1”为电流初始化分布，在“步骤2：瞬态”中设定总步长时间为2400s，步长为24s，并检查是否有参数设置错误，若无错误则单击“＝计算”进入计算。计算完成后，在“结果”中对计算数据进行分析处理。

本实施例所得到析锂结果中，电池的电压曲线如图6中C＝1.5的曲线，SEI副反应的电流图如图7中C＝1.5的曲线，固液相电势差如图8中C＝1.5的曲线，电池在1902s产生了析锂电流，计算完成后的锂析出电流密度图如图11所示。

本发明通过在有限元软件中建立电化学-热耦合模型，得到低温下，不同倍率下的三元锂离子电池充电曲线，可以判断电池是否析出锂晶体，得到析锂副反应的电流密度图，以及SEI膜的电流密度图，从机理上研究析锂问题，为研究锂电池的老化问题提供数据支持。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。