Учитываем нагрев в проектировании литий-ионных аккумуляторов

Управление температурным режимом — важная часть в работе литий-ионных аккумуляторов, которую необходимо учитывать. Посредством имитационного моделирования вы можете проанализировать как теплота перемещается внутри источника энергии и тем самым процесс проектировки.

Несмотря на то, слышите вы или нет название постоянно, литий-ионные аккумуляторы определённо играют активную роль в поддержании вашего ежедневного общения. Эти лёгкие, перезаряжаемые аккумуляторы обычно используются в разнообразной потребительской электронике, в том числе ноутбуках и сотовых телефонах. С их высокой плотностью энергии, литий-ионные аккумуляторы стали даже использовать в промышленности и транспортировке.

Литий-ионный аккумулятор из сотового телефона. (“NOKIA® Battery” автор Kristoferb. Лицензия Creative Commons Атрибуция — На тех же условиях 3.0 через Викисклад.)

По мере того как растёт использование этих устройств, увеличивается и беспокойство по поводу их безопасности. Как упоминалось в предыдущей статье блога, самовозгорание литий-ионного аккумулятора на борту нового Boeing 787 Dreamliner, вызванное перегревом, привело к отстранению от полётов всех самолётов Dreamliner. В прошлом году Design News сообщили о перегреве литий-ионных аккумуляторов внутри автомобилей Мицубиси (прочитать об этом можно здесь).

Два разных заголовка затрагивают одну общую проблему — влияние нагрева на безопасность и долговечность литий-ионных аккумуляторов.

Чтобы решить эту проблему, важно понять ее предпосылки.

Давайте начнём с конструкции аккумулятора. Литий-ионный аккумулятор состоит из двух электродов и неводного электролита, который позволяет ионам перемещаться. Во время зарядки, ионы лития двигаются с катода по электролиту и затем их захватывает кристаллическая структура анода на основе углерода. Когда аккумулятор разряжен, происходит процесс обратный описанному и эти ионы перетекают назад, приводя к противоположному потоку электрического тока. Кроме того они приводят и схему устройства в действие.

Согласно этому процессу, который похож на течение электрического тока по проводу, появляется внутреннее сопротивление в электролите, что приводит к Джоулеву нагреву. В проектировании литий-ионного аккумулятора важно то, что это тепло достаточно быстро распространяется, так что ячейка не нагревается настолько сильно, чтобы распадаться. Как отмечено в этом отчёте о моделировании литий-ионного аккумулятора, реакция распада является экзотермической. Это значит, что когда процесс начинается, температура будет продолжать расти и питать реакцию распада – явление известно как тепловой разгон аккумулятора. Это распространение тепла может быть потенциальным источником пожарной опасности.

С помощью пакета COMSOL Multiphysics вы можете визуализировать и лучше разобраться в распределение температуры внутри литий-ионного аккумулятора. Модель Тепловое моделирования цилиндрического литий-ионного аккумулятора из модуля Аккумуляторы и топливные элементы объединяет теплопередачу с химией литий-ионного аккумулятора и потоком ионов. Интерфейс Сопряжённой теплопередачи используется для исследования охлаждения воздуха этой трехмерной тепловой модели литий-ионного аккумулятора.

Составляющие термальной модели.

Модель ниже показывает температуру аккумулятора и направления потока после 1500 секунд зарядки. Наивысшая температура сосредоточена в активном веществе аккумулятора около торца, который является термически изолированным. Таким образом, эта область ячейки более склонна к старению и деградации.

Распределение температуры внутри литий-ионного аккумулятора.

Имитационное моделирование является полезным инструментом в оптимизации проектирования литий-ионных аккумуляторов. По мере анализа того как тепло распространяется во время работы аккумулятора, исследователи и производители могут улучшить характеристики аккумулятора и найти путь к более безопасной и долговечной технологии.

Я соглашаюсь с тем, что COMSOL будет собирать, хранить и обрабатывать мои персональные данные согласно моим настройкам и Политике конфиденциальности COMSOL . Я соглашаюсь получать электронные письма от COMSOL AB и его аффилированных компаний о блоге COMSOL. Это согласие может быть отозвано.