Pin lithium-ion có nhiều ưu điểm như năng lượng riêng cao, công suất riêng cao và nền tảng điện áp cao, có triển vọng ứng dụng tốt trong lưu trữ năng lượng và xe điện năng lượng mới. Cấu trúc cell của pin lithium-ion hiện có có thể được chia thành cấu trúc lớp và cấu trúc quấn. So với cấu trúc quấn, cấu trúc xếp chồng có thể tăng dung lượng pin và giảm điện trở bên trong. Tuy nhiên, phương pháp sắp xếp này có thể dễ dàng dẫn đến phân bố nhiệt độ không đều dọc theo hướng mặt phẳng của pin trong quá trình xả tốc độ cao. Để phân tích vấn đề phân bố nhiệt độ pin không đồng đều, có thể thiết lập một mô hình mô phỏng pin chính xác để làm rõ các đặc điểm của phân bố trường nhiệt độ, nhằm cung cấp cho các nhà sản xuất pin nhiều thông tin hơn về việc tối ưu hóa cấu trúc pin.

Phương pháp phần tử hữu hạn thường được sử dụng để phân tích mô phỏng nhiều trường vật lý trong pin. Trong mô hình hóa, các nhà nghiên cứu thường sử dụng mô hình tham số cục bộ không phân lớp để phân tích phân bố trường nhiệt độ của pin bằng cách ghép nối một mô hình một chiều. Hoặc bỏ qua độ dốc nhiệt độ theo hướng độ dày của pin và chỉ phân tích phân bố nhiệt độ bề mặt của pin. Trên thực tế, pin lithium-ion có cấu trúc phân lớp ba chiều và các nguồn nhiệt khác nhau ở các bộ phận khác nhau, điều này tất yếu dẫn đến phân bố nhiệt độ không đồng đều bên trong pin. Để dự đoán chính xác hơn sự phân bố điện hóa và trường nhiệt độ của từng lớp pin lithium-ion, bài báo này thiết lập mô hình ghép nối nhiệt điện hóa một lớp ba chiều dựa trên phần mềm phân tích trường vật lý đa lớp và nghiên cứu các đặc điểm và phân bố trường nhiệt độ của các bộ phận khác nhau của pin trên cơ sở này. Công trình nghiên cứu trong bài viết này có thể cung cấp cơ sở lý thuyết cho việc tối ưu hóa cấu trúc của pin lithium-ion và phát triển quản lý nhiệt pin.

1 Mô hình nhiệt

Bài viết này lấy pin lithium-ion xếp chồng hình vuông làm đối tượng nghiên cứu. Pin bao gồm 60 cặp điện cực xếp chồng lên nhau, mỗi cặp gồm năm phần: bộ thu dòng điện cực dương, vật liệu hoạt động cực dương, vật liệu hoạt động cực âm và bộ thu dòng điện cực âm. Trong quá trình xả, dòng điện chạy qua tai điện cực âm, đi qua màng ngăn và điện cực dương và âm, và cuối cùng chảy ra khỏi tai điện cực dương. Trong quá trình này, các phản ứng hóa học và điện hóa phức tạp và các quá trình vận chuyển vật liệu sẽ được quan sát, dẫn đến những thay đổi trong trường nhiệt độ bên trong của pin. Để ứng phó với hiện tượng này, bài viết này thiết lập một mô hình ghép nhiệt điện hóa ba chiều bằng cách ghép khối lượng, điện tích, bảo toàn năng lượng và động học điện hóa. Nghiên cứu các đặc tính điện hóa và nhiệt của pin trong quá trình xả.

2 Kiểm tra

Trong mô hình phân phối ba chiều, chúng tôi tập trung vào các đặc điểm phân phối bên trong của hệ thống điện hóa, bao gồm phân phối điện thế, phân phối SOC, phân phối mật độ dòng điện và phân phối nồng độ ion lithium. Do khó khăn trong việc đo các đặc điểm phân phối điện hóa của pin thông qua các thí nghiệm, bài viết này xác minh chúng bằng cách so sánh các đặc điểm điện hóa bên ngoài của pin. Nền tảng thử nghiệm chủ yếu bao gồm buồng nhiệt độ cao và thấp DGBELL , tủ sạc và xả và phần mềm mô phỏng trường vật lý đa dạng. Trước khi thử nghiệm, hãy sạc pin đến khi sạc đầy bằng dòng điện 1 C và để yên trong 1 giờ. Sau đó, thực hiện xả dòng điện không đổi 1 C và 2 C trên pin và ghi lại các thay đổi điện áp trong quá trình xả. Sau khi so sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm, có thể thấy rằng tính nhất quán giữa kết quả thực nghiệm và mô phỏng là tốt và độ chính xác của mô hình đã được xác minh.

2.1 Phân bố mật độ dòng điện

Mật độ dòng điện phân bố trên các cực thu dòng điện dương và âm của pin khi kết thúc quá trình xả 2 C. Trong quá trình xả, toàn bộ dòng điện chạy từ mạch ngoài vào tai điện cực âm và được phân bố khắp vùng thu dòng điện âm. Khi khoảng cách từ tai điện cực âm tăng lên, mật độ dòng điện giảm dần. Điều này là do một phần dòng điện chạy vào tai cực chảy vuông góc với hướng của cấu trúc bánh sandwich. Dòng điện chạy qua cell pin được gọi là dòng điện làm việc cục bộ, dòng điện này truyền các điện tích tham gia vào phản ứng điện hóa từ điện cực âm sang điện cực dương. Trong quá trình pin hoạt động, sự phân bố không đều của dòng điện làm việc cục bộ có thể dẫn đến quá tải hoặc xả cục bộ, do đó ảnh hưởng đến sự an toàn và tuổi thọ của pin. Do đó, việc hiểu thông số chính này là vô cùng quan trọng.

Trong quá trình xả, mật độ dòng phản ứng ở vùng tai cực thay đổi từ giá trị cực đại sang giá trị cực tiểu. Điều này có thể là do trong quá trình xả chùm tia, các ion lithium trong chất điện phân ở vùng tai cực gần như cạn kiệt, do đó làm giảm tốc độ phản ứng điện hóa gần tai cực. Khi kết thúc quá trình xả, có một gradient đáng kể trong mật độ dòng phản ứng của pin, có thể là do sự phân cực nồng độ lớn của pin ở giai đoạn xả sau, dẫn đến sự phân bố gradient đáng kể của mật độ dòng phản ứng. Tuy nhiên, trong quá trình xả, gradient của mật độ dòng phản ứng điện cực không đáng kể, cho thấy tốc độ phản ứng điện hóa bên trong điện cực về cơ bản là ổn định.

2.2 Phân phối tiềm năng

Sự đồng đều của phân bố điện thế ảnh hưởng đến hiệu suất của pin. Điện thế cục bộ cao của pin có thể dẫn đến sự không đồng đều nghiêm trọng trong hiệu suất của các tấm pin, làm giảm hiệu suất của pin. Trong quá trình xả 2C, sự phân bố điện thế pha rắn của anot và catot chỉ ra sự tồn tại của sự phân bố gradient điện áp đáng kể trong quá trình xả. Trong quá trình xả, dòng điện chảy vào pin từ điện cực âm và sau đó chảy ra khỏi điện cực dương. Theo định luật Ohm, điện thế giảm theo hướng của dòng điện. Do đó, điện thế cao nhất của anot nằm ở tai điện cực âm, trong khi điện thế thấp nhất của catot nằm ở tai điện cực dương. Ngoài ra, do sự tích tụ của dòng điện chạy vào hoặc ra khỏi pin tại các tai điện cực, sự thay đổi điện thế trong vùng kết nối giữa các tai điện cực và tấm điện cực rất không đồng đều và sự phân bố điện thế ở các phần còn lại của tấm điện cực tương đối đồng đều.

2.3 Phân tích đặc tính nhiệt độ

Quá trình xả của pin lithium-ion là một quá trình dẫn nhiệt tạm thời điển hình đôi khi thay đổi từ nguồn nhiệt bên trong. Phân bố trường nhiệt độ của pin với độ sâu xả khác nhau trong điều kiện xả 2 C. Trong quá trình xả, nhiệt độ của pin liên tục tăng. Tuy nhiên, tốc độ tăng nhiệt độ của pin không giống nhau ở các vị trí khác nhau. Trong giai đoạn đầu của quá trình xả, tốc độ tăng nhiệt độ gần vùng tai cực cao hơn, trong khi tốc độ tăng nhiệt độ xa vùng tai cực thấp hơn.

Khi quá trình xả sâu hơn, tốc độ tăng nhiệt độ ra khỏi tai điện cực tăng lên, có thể là do sự cạn kiệt các ion lithium tại tai điện cực trong giai đoạn xả sau, dẫn đến giảm mật độ dòng điện phản ứng trong vùng tai điện cực và giảm tốc độ sinh nhiệt Ohmic. Tuy nhiên, ở vùng đáy của pin, do mức tiêu thụ lưu lượng thấp trong giai đoạn đầu của quá trình xả ion lithium, nên hàm lượng ion lithium tương đối dồi dào trong giai đoạn xả sau và số lượng ion lithium tham gia phản ứng tăng đáng kể, dẫn đến tăng mật độ dòng điện của phản ứng đáy pin và tăng tốc độ sinh nhiệt Ohmic trong giai đoạn xả sau. Trong quá trình xả, mật độ dòng điện phản ứng trong vùng điện cực dương đã thay đổi từ giá trị cực đại sang giá trị cực tiểu, chứng minh thêm cho kết quả mô phỏng.

3 kết luận

Bài báo này đề xuất một mô hình ghép nối điện hóa ba chiều bằng cách ghép nối khối lượng, điện tích, năng lượng và các phương trình động học điện hóa. Sử dụng mô hình này, sự phân bố không gian-thời gian của các đặc điểm nhiệt của pin lithium-ion xếp chồng đã được nghiên cứu. Các kết luận chính như sau:

(1) Phân tích chính xác các thay đổi trường nhiệt độ và đặc điểm sinh nhiệt của pin ion tuyết tùng ghép nhiệt ba chiều và điện hóa ba chiều.

(2) Bằng cách thiết lập mô hình liên kết nhiệt điện hóa ba chiều, các phương pháp thực nghiệm truyền thống có thể thu được kết quả khó thu được như phân bố điện thế cục bộ và phân bố mật độ dòng điện của pin

(3) Trong quá trình xả dòng điện không đổi, có sự chênh lệch nhiệt độ đáng kể bên trong pin, đặc biệt là ở vùng chuyển tiếp giữa tai và tấm, nơi có sự chênh lệch nhiệt độ thay đổi nhiều nhất.

(4) Tốc độ tăng nhiệt độ của pin ở các vị trí khác nhau trong quá trình xả không giống nhau. Trong giai đoạn đầu của quá trình xả, tốc độ tăng nhiệt độ ở vùng tai cực là cao nhất, trong khi tốc độ tăng nhiệt độ ở vùng đáy của pin xa tai cực tương đối nhỏ. Tuy nhiên, có xu hướng tăng lên ở giai đoạn xả sau. Mô hình nhiệt điện hóa ba chiều được thiết lập trong bài viết này cung cấp một phương pháp hiệu quả để quan sát hành vi nhiệt và điện hóa bên trong của pin lithium-ion và có triển vọng ứng dụng tốt trong việc hướng dẫn thiết kế tối ưu hóa cấu trúc monome pin lithium