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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：測試GO 時間：2022-07-04 02:42:02 瀏覽：3463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、自放電率和性能價格比等特點，已被廣泛應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)品中投入使用很長時間了，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、電池組內部溫度積累對電池組的影響等。這些問題無不制約著鋰電池的發(fā)展與應用，但我們可以通過采用有限元仿真的方式去模擬整個過程，對模擬結果提出針對性的解決方案來促進研究進展。

鋰電池內部的枝晶生長

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

鋰枝晶生長是影響鋰離子電池安全性和穩(wěn)定性的根本問題之一。鋰枝晶的生長會導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界面（SEI）膜，鋰枝晶在生長過程中會不斷消耗電解液并導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刺穿隔膜導致鋰離子電池內部短接，造成電池的熱失控引發(fā)燃燒爆炸。

為了解決枝晶問題，國內外的電池材料研究學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改變電解液的化學性能，從而抑制枝晶生長；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的過程，探究不同的抑制枝晶生長方法的優(yōu)勢，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于抑制枝晶生長的作用。

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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，電動車的市場占有率越來越高，但是在電動車快速發(fā)展的過程中，發(fā)生了許多起電動車自燃的事件，其中有造車新勢力的，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，電動車的自燃引起了一陣恐慌，有不少人擔心自己同型號的家用車會不會也這么燒起來。

目前多數(shù)電動車的自燃是由于其電池組內部積熱導致的電池溫度過高引發(fā)的自燃。對于車載鋰離子電池組來說，電池內部熱源主要來自反應熱、極化熱和焦耳熱。鋰離子電池組溫度升高的一個重要原因是電池內阻引發(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。

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