鋰離子單體電池仿真熱分析
導語
鋰離子電池被認為是最重要的儲能技術之一。鋰離子電池因其低成本、高性能、大功率、綠環境等諸多優勢，現已成為新能源的典型代表，廣泛應用于3C數碼產品、移動電源以及電動汽車等領域。隨著鋰離子電池的不斷推廣，鋰離子電池的安全性越來越受到人們的關注，由于電池本身技術原因或是使用不當等問題都可能會造成鋰離子電池爆炸，引起火災等安全事故。
本文主要對18650型號的鋰離子電池進行仿真熱分析，分析過程使用了用戶子程序DFLUX進行電池熱源的設置。
鋰離子電池因其低成本、高性能、大功率、綠環境等諸多優勢，現已成為新能源的典型代表，廣泛應用于3C數碼產品、移動電源以及電動汽車等領域。
隨著鋰離子電池的不斷推廣，鋰離子電池的安全性越來越受到人們的關注，由于電池本身技術原因或是使用不當等問題都可能會造成鋰離子電池爆炸，引起火災等安全事故。尤其近幾年以電動汽車為主的電動交通工具市場對鋰離子電池的需求不斷加大，在發展大功率鋰離子電池體系過程中，電池安全問題引起了廣泛重視，存在的問題急需進一步解決。
鋰離子電池熱失控過程
近幾年出現的電池熱失控引起的火災的案例中，都是由于電池的生熱速率遠高于散熱速率，且熱量大量累積而未及時散發出去所引起的。從本質上而言，“熱失控”是一個能量正反饋循環過程：升高的溫度會導致系統變熱，系統變熱后溫度升高，又反過來讓系統變得更熱。
第1階段：電池內部熱失控階段
電池在80～90℃時是安全的，溫度升高到90～120℃之間時 SEI 膜開始分解，釋放熱量，溫度升高。但是當溫度達到120～130℃時保護層SEI膜遭到破壞，負極與溶劑、粘結劑反應，溫度升高，隔膜融化關閉。溫度繼續升高至150℃之上后，內部電解質開始進行分解，繼續釋放熱量，進一步加熱電池。
第2階段：電池鼓包階段
電池溫度達到200℃之上時，正極材料分解，釋放出大量熱和氣體，持續升溫。250-350℃嵌鋰態負極開始與電解液發生反應。
第3 階段：電池熱失控，爆炸失效階段
在反應發生過程中，電解液與正極反應產生的氧氣劇烈反應并進一步使電池發生熱失控。
鋰離子電池熱失控成因
其實一般電池內短路在電子產品中出現的概率是千萬分之一，也就是說平時生活中用到的單個電池安全性相對較高。但是在電動汽車中，一輛電動汽車的電池組需要幾千個電池組成，這樣發生熱失控的概率就由千萬分之一上升到千分之一。而且電動汽車的電池一旦發生危險，后果將非常嚴重，研究電池熱失控的成因變得尤為重要。
1生產過程
①正極材料
正極材料的安全性能主要包括過充安全性和熱穩定性，在氧化狀態下，正極材料發生放熱分解反應，并釋放氧氣。
②負極材料
負極材料雖然比較穩定，但嵌鋰狀態下的碳負極在高溫下會首先與電解液發生反應。
③電解液
電解液包括無機導電劑和有機溶劑，而有機溶劑的易燃特性本身就會對電池的安全性能造成一定的影響。
④生產工藝
電池的生產工藝非常復雜，即使進行嚴格控制，也不能完全避免生產過程中的金屬雜質或毛刺。若電池內部出現雜質、毛刺或枝晶，經過放大和惡化導致電導率升高，溫度上升，化學反應和放電發熱所產生的熱量不斷累積，最終可能造成電池的熱失控。
一、問題描述
單只18650圓柱鋰離子電池在23℃環境下，以2A的恒定電流放電100s，求解整只電池的溫度分布。
二、問題分析
求取電池的溫度分布，我們需要建立電池的幾何模型、材料模型和邊界條件。18650圓柱鋰離子電池幾何模型很容易建立，材料模型可通過前人的文獻獲取。
三、Abaqus的建模分析
1）建立幾何模型
直徑18mm，長度65mm，建立模型使用m單位，并創建圓柱坐標系，結果如下：
2）建立材料屬性
材料屬性參數如上所示，結果如下圖
創建界面屬性并賦給幾何體。
點擊
（Assign Material Orientation）設定材料方向，選擇結合體，點擊鼠標中鍵，選擇創建的圓柱坐標系，完成材料方向的設定。
3）創建裝配體。
4）創建熱傳導分析步
建立熱傳導分析步，時長為3600s。
步長為60s。
5）設定表面熱對流條件
側面
頂面底面
6）創建邊界條件及載荷
創建體熱流（body heat flux），采用用戶自定義的
創建初始預定義溫度場
創建用戶子程序dflux.for，內容如下
7）劃分網格，，單元類型為DC3D8， 網格劃分結果如下
8）創建分析任務
在General 下user subroutine file下選擇創建的用戶子程序。
9）提交任務，并進行后處理，查看溫度分布結果。
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