锂电池模型仿真研究

电极产热分析可逆热为化学反应熵变引起的热量变化，不可逆热包括欧姆热与极化热，为了分析正负极的产热规律，在模型中正负极对应的位置设置探针，提取各种产热数据。通过仿真模型计算得出恒温箱温度为25℃时不同倍率放电的可逆热与不可逆热功率曲线，如图5所示，其中图5(a)～5(c)为可逆产热曲线，图5(d)～5(f)为不可逆产热曲线。由图5(a)～5(c)的可逆产热曲线可以看到负极产热曲线在放电时为负值，表示吸热，且吸热率与放电倍率成正比，2C放电最大放热率约为0.5C时的4倍；正极产热曲线只在0.5C放电前期的一段时间内为负值，因此时电流较小，放电初期已消耗易发生反应的化学物质，放电初期的放热不足以为化学物质的持续反应提供能量，故出现可逆吸热反应以使后续的放电顺利进行，其他倍率放电期间皆为正值，2C放电正极的最大放热率约为0.5C时的2倍。图5(d)～5(f)为不可逆产热曲线，负极不可逆产热远大于正极不可逆产热，1C放电时负极不可逆产热率约为0.5C放电的2倍，2C放电时约为0.5C的8.5倍。正极因其欧姆内阻与极化内阻较小而产生较少不可逆热，正极反应引起的熵变较大而导致可逆热较大。负极锂离子脱出需要吸收的热量表现为可逆热吸热，由于负极存在较大欧姆内阻与极化内阻，所以产生大量不可逆热。

图5 25℃时电极的可逆热与不可逆热

温度场分布当空气沿着y轴的相反方向流动，流速为0.1m/s，恒温箱温度为25℃，2C放电时，模型的温度场与经过电池中心的沿流场方向的温度场切面图如图6所示，可以看到气流主要对电池后侧空间的温度场产生影响，且电池后侧的温度场随电池温度增大而增大，在放电结束时，电池附近弧形区域温度上升8K，在电池后侧的模型边界处温度上升约4K。放电结束时电池温度场与电池的切面温度如图7所示，电池的正极极耳与负极极耳的温度为308.7K，气流先接触到的电池表面为307.46K，电池其余部分温度处于307.7K附近，即电池正负极极耳处温度最高，与气流相对的电池表面温度最低。

图6 温度场与切面温度分布

图7 放电结束时电池温度场与电池切面温度分布

 结 论

不同温度及不同倍率下的放电实验，并建立三维电化学-热耦合模型，仿真结果与实验结果具有良好的一致性，模型准确性得到验证，在此基础上进行正负极产热分析与电池温度场的研究，有以下结论。

（1）相同温度下，放电电流对电池温度影响极大，0.5C放电时电池温升1.7℃，1C放电时电池温升为3℃，而2C放电时温升达到9℃。0.5C倍率放电时，25℃与40℃环境下电池温升接近，0℃与-25℃时温升接近，约为3℃。

（2）电池产热量与放电倍率成正比，正极热量主要表现为可逆热放热，而负极同时出现较高的可逆热吸热与不可逆热放热。在模拟恒温箱25℃进行2C放电时，正极可逆热产热约为11000W/m3,不可逆产热约为700W/m3，负极可逆吸热在23000W/m3附近，不可逆产热率放电中期时约为11000W/m3，放电末期逐渐上升至23000W/m3。

（3）25℃环境温度进行2C放电，在放电结束时，受空气流动方向的影响，电池后侧空间温度明显升高，在距离电池50mm处的空间内仍有约4℃的温升。以电池单体为研究对象，电池正负极极耳处的温度最高，与气流正对的电池表面温度最低，两部分相差0.61℃。

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