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科研人都在用的鋰電池研究神器——有限元仿真

來源：測(cè)試GO 時(shí)間：2022-08-10 10:00:14 瀏覽：1605次

鋰電池是采用含有鋰元素的材料或鋰金屬/鋰合金作為電極，使用非水電解質(zhì)溶液的電池，是現(xiàn)代高性能電池的代表。因其較為優(yōu)異的安全性、比容量、自放電率和性能價(jià)格比等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于我們的日常生活中。

雖然鋰電池自發(fā)明以來已經(jīng)進(jìn)行了大規(guī)模的商業(yè)化生產(chǎn)制造、并在日常產(chǎn)品中投入使用很長(zhǎng)時(shí)間了，但是仍存在許多問題需要解決，例如電池充放電過程中的枝晶生長(zhǎng)、電池組內(nèi)部溫度積累對(duì)電池組的影響等。這些問題無不制約著鋰電池的發(fā)展與應(yīng)用，但我們可以通過采用有限元仿真的方式去模擬整個(gè)過程，對(duì)模擬結(jié)果提出針對(duì)性的解決方案來促進(jìn)研究進(jìn)展。

【鋰電池內(nèi)部的枝晶生長(zhǎng)】

鋰枝晶是鋰電池在充電過程中鋰離子還原時(shí)形成的樹枝狀金屬鋰，但是鋰在負(fù)極側(cè)出現(xiàn)時(shí)鋰的形態(tài)不一定是鋰枝晶，統(tǒng)稱為析鋰。

鋰枝晶生長(zhǎng)是影響鋰離子電池安全性和穩(wěn)定性的根本問題之一。鋰枝晶的生長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致鋰離子電池在循環(huán)過程中電極和電解液界面的不穩(wěn)定，破壞生成的固體電解質(zhì)界面（SEI）膜，鋰枝晶在生長(zhǎng)過程中會(huì)不斷消耗電解液并導(dǎo)致金屬鋰的不可逆沉積，形成死鋰造成低庫倫效率；鋰枝晶的形成甚至還會(huì)刺穿隔膜導(dǎo)致鋰離子電池內(nèi)部短接，造成電池的熱失控引發(fā)燃燒爆炸。

為了解決枝晶問題，國內(nèi)外的電池材料研究學(xué)者都在尋找著不同的方法，例如在電解液中加入不同的物質(zhì)改變電解液的化學(xué)性能，從而抑制枝晶生長(zhǎng)；在電極板上覆蓋一層多孔材料，使得鋰離子可以均勻的沉積。我們可以通過有限元仿真的方法模擬出枝晶生長(zhǎng)的過程，探究不同的抑制枝晶生長(zhǎng)方法的優(yōu)勢(shì)，從而更直觀的在論文中體現(xiàn)出研究人員付出心血得到的方法對(duì)于抑制枝晶生長(zhǎng)的作用。

【電池組熱積累的影響】

伴隨著國家節(jié)能減排與碳中和政策的推動(dòng)，電動(dòng)車的市場(chǎng)占有率越來越高，但是在電動(dòng)車快速發(fā)展的過程中，發(fā)生了許多起電動(dòng)車自燃的事件，其中有造車新勢(shì)力的，也有傳統(tǒng)汽車品牌的，這些車有在行駛過程中突然燒起來的，也有在充電過程中突然燃燒的，電動(dòng)車的自燃引起了一陣恐慌，有不少人擔(dān)心自己同型號(hào)的家用車會(huì)不會(huì)也這么燒起來。

目前多數(shù)電動(dòng)車的自燃是由于其電池組內(nèi)部積熱導(dǎo)致的電池溫度過高引發(fā)的自燃。對(duì)于車載鋰離子電池組來說，電池內(nèi)部熱源主要來自反應(yīng)熱、極化熱和焦耳熱。鋰離子電池組溫度升高的一個(gè)重要原因是電池內(nèi)阻引發(fā)的溫度升高。另外，由于發(fā)熱電池體的密集擺放，中間區(qū)域必然熱量聚集較多，邊緣區(qū)域較少則新增了鋰離子電池組中各單體之間的溫度不均衡。

所以我們需要對(duì)鋰離子電池進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，使其溫度保證在正常工作溫度范圍內(nèi)。鋰離子電池組溫度調(diào)節(jié)的方法主要有兩種：1.內(nèi)部調(diào)節(jié)、2.外部調(diào)節(jié)。

我們可以通過有限元仿真的方法，更直觀的展現(xiàn)出電動(dòng)車搭載電池組的發(fā)熱情況，從而對(duì)電池組積熱進(jìn)行進(jìn)一步研究，保障電池組溫度的可控性，增強(qiáng)電動(dòng)車的安全性。

鋰離子電池分布在我們生活的每一個(gè)角落，其應(yīng)用領(lǐng)域包括手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦、智能手表、移動(dòng)電源（充電寶）、應(yīng)急電源、剃須刀、電動(dòng)自行車、電動(dòng)汽車、電動(dòng)公交車、旅游觀光車、無人機(jī)，以及其他各類電動(dòng)工具。

鋰電池技術(shù)的進(jìn)步關(guān)乎著我們每個(gè)人的日常生活，我們相信每一個(gè)致力于鋰電的科研人對(duì)電池技術(shù)的進(jìn)步都貢獻(xiàn)了自己的力量，而有限元仿真能更直觀的幫助大家解決鋰電池研發(fā)過程中的問題，讓鋰電池研發(fā)過程降本增效。

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