力學(xué)所在圓柱型鋰電池服役過程力熱表現(xiàn)的尺寸效應(yīng)研究方面取得新進展
在新能源動力電池領(lǐng)域，大尺寸全極耳圓柱電池因其高能量密度、高成組效率等顯著優(yōu)勢，在近年來備受關(guān)注。相比于傳統(tǒng)尺寸圓柱電池，大尺寸圓柱電池具有更高的產(chǎn)熱量和更嚴重的電芯形變。作為典型的復(fù)雜工程體系，電池的生產(chǎn)設(shè)計涉及多尺度、多物理場耦合的科學(xué)問題，這使得目前各類大尺寸圓柱電池，仍缺乏多物理場耦合的底層安全設(shè)計架構(gòu)，限制了其電化學(xué)性能與安全性的進一步提升。 
力學(xué)所非線性力學(xué)國家重點實驗室的研究團隊建立了大尺寸圓柱電池單體的數(shù)字孿生模型，為大尺寸圓柱鋰電池的服役安全設(shè)計提供了理論指導(dǎo)。相關(guān)成果以“Size effect on the thermal and mechanical performance of cylindrical lithium-ion batteries”為題發(fā)表在能源類權(quán)威期刊Applied Energy上。
研究團隊通過參數(shù)化幾何結(jié)構(gòu)，使用力-熱-電-化多物理場耦合仿真方法，建立了大尺寸圓柱電池單體的數(shù)字孿生模型(圖1)，揭示了尺寸變化對圓柱鋰離子電池能量密度、產(chǎn)熱行為和力學(xué)行為等服役性能的影響。具體表現(xiàn)為：增大電池直徑或高度可同時提升電池理論容量與體積能量密度，質(zhì)量能量密度也隨高度增大而升高，但隨著直徑的增大，質(zhì)量能量密度將先升高后減小(圖2)；由于散熱路徑的影響，圓柱電池的熱性能可通過徑高比(D/H)進行表征，在同容量的前提下，徑高比較大的電池在高充放電倍率下具有更低的平均內(nèi)部溫度與更低的溫度梯度(圖3)；正極與負極不匹配的嵌(脫)鋰形變會使電芯產(chǎn)生內(nèi)壓外拉的應(yīng)力狀態(tài)，增大電池直徑將顯著惡化該應(yīng)力狀態(tài)，造成內(nèi)層電芯坍縮和外層電芯斷裂的風(fēng)險(圖4)。值得注意的是，圓柱電池單體直徑的選擇，需在能量密度、產(chǎn)熱行為與力學(xué)行為之間進行權(quán)衡。
力學(xué)所博士研究生劉錦為論文第一作者，陳春光副研究員和魏宇杰研究員為共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金委(No. 11988102, 12002343)、中國科學(xué)院力學(xué)所力星計劃(No. E1Z1010901)、北京市重點專項(Z240001)等項目的資助。
圖1.(a)大尺寸全極耳圓柱電池示意圖，(b)偽二維電化學(xué)模型，(c)二維軸對稱傳熱模型，(d)一維軸對稱熱力耦合模型
圖2.圓柱電池能量特性隨尺寸的變化規(guī)律(a)理論容量，(b)體積能量密度，(c)質(zhì)量能量密度
圖3.不同充電倍率下4640與26110電池的溫度演化(a)電芯平均溫度，(b)電芯溫度梯度，(c)電芯內(nèi)部溫度分布云圖
圖4.滿充狀態(tài)下4640電池與26110電池的內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變(a)電芯各層環(huán)向應(yīng)變，(b)負極集流體銅箔的環(huán)向應(yīng)力，(c)電芯內(nèi)部徑向位移云圖
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