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基于多尺度数值模型的锂离子电池设计与优化技术研究
成果信息
立项支持
  • 公布年份:
    2016
  • 中图分类:
    TM911.3, TM910.2
  • 关键词:
  • 成果简介:
    项目经费来源于中国科学院百人计划和东莞新能源公司(ATL)横向委托项目。 电化学能源/动力装置能够实现化学能-电能间的直接转化,能量转化效率高。锂离子电池因其高比能量、长寿命等优点已经在电子产品、移动通讯行业得以广泛应用并逐步发展成为电动车动力电池和可再生能源电力存储设备的主流。存在的一些主要问题有:性能需要进一步提升、安全性问题等。为了克服传统研发模式(尝试法)耗时、耗资且不易操控的弊端,该项目开发出锂离子电池的多尺度数值模型,包括基于滑移离子水力学方法(SPH)、格子Boltzmann(LB)方法或计算流体直接数值模拟(DNS)的介孔尺度数值模型,以及宏观电化学-热耦合模型和热滥用模型。数值模拟揭示电池性能与电极介孔结构的关联性,对电极的介观组元构型和微孔结构进行虚拟设计;同时,结合宏观模型模拟,研究探讨电池不同条件下的热行为及可能诱发的热失控,揭示相关物理-化学机制。研究结果可为开发先进的锂离子电池及合理定制电池的运行和管理策略等提供理论基础和技术指导。 项目主要成果如下:1.发展了多种用于数值重建锂离子电池电极三维微结构的方法,并开发出介观孔尺度数值模型预测电极的宏观物性、研究揭示孔尺度传输机制。国际上最早将模拟退火方法发展用于重建锂离子电池电极,最早将格子玻尔兹曼(LB)方法用于模拟PEFC催化层内扩散过程的两个课题组之一,最早开始锂离子电池全电池介孔尺度直接数值模拟(Direct Numerical Simulation,DNS),最早将SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)方法用于锂离子电池介孔尺度数值模拟。锂离子电池电极是多组元材料复合而成,不同组元相担负不同的传输任务,介质内三维微结构必然关联其宏观性能。重建电极微结构一方面可以对电极微结构进行虚拟设计、最优化其宏观性能,另一方面可以为介观尺度直接数值模拟提供基础条件。通过介观尺度模拟,可以研究和揭示电池介观尺度基础物理机制、预测宏观物性、获得电池宏观性能与电极微结构关系,继而优化设计电极。2.开发了LiFePO4锂离子电池充放电过程的数值模型并进行了模型的实验验证,模拟并重点分析了电池放电时的热生成及电池的热行为。成果发表在Journal of Power Sources杂志。论文审稿人评述为"The detailed electrochemical/thermal description of the LiFePO4/graphite cell is presented, which offers interesting information to the relevant readers."。数值模型软件自主开发,在国际同类软件中居领先地位。锂离子电池的热管理对电池的性能和寿命至关重要,锂离子电池的安全性问题通常都是由于电池热失控(Thermal Runaway)造成的。瞬态、多尺度、多组元、多物理传输并且与电化学反应耦合使得过程极度复杂,实验测试对研究和揭示相关传输机制的作用非常有限,数值模型是非常有效的研发工具。课题组开发的模型可以详细刻画电池内多物理传输过程,可用以研究电池性能的各种极限机制、分析电池内热的产生/传输/累积等,预期可在高性能电池研发、电池热设计及热管理方案设计等方面发挥效用。3.开发了LiCoO2锂离子电池热滥用的数值模型,模拟发现在高温环境,电池发生热失控时,负电极是最高热生成速率区域,尽管正极活性材料与电解液反应是最大的热生成源;如果高温不足以导致热失控,正电极是最高热生成速率区域;给定散热条件,存在导致热失控的临界环境温度。电池滥用是造成安全性问题或事故的重要原因。欲改善锂离子电池的安全性:可以从电池材料本身着手,提高电极材料(包括电解液)的热稳定性或是采用热稳定更好的电极材料;或可以从电池的设计和制备、运行和管理着手,通过电池制备过程的高质化控制、电池散热结构或方案的优化设计以及电池热控制或管理方案的合理定制,抑制或避免热失控的发生。所开发的数值模型,可以作为有效工具,用于研究揭示相关基础物理机制、进行电池结构或散热方案的设计优化、辅助新的电极材料研发。 该项目总共发表学术论文约四十篇,其中十余篇被SCI摘引,总他引五十余次;出版英文专著独立章节1章;获授权软件著作权7件,其中多件软件为著名锂电池企业--东莞新能源公司(ATL)采用。项目成果有助于提升基础认知,服务于锂离子电池的设计和制备、运行和管理,促成相关关键技术的突破进展,实质性改善锂离子电池的安全性,继而提高民众对电动汽车的认可度和接受度,具有巨大的社会效益和经济效益。
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