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基于电化学--力耦合模型的锂离子电池扩散极化及扩散应力分析
| 论文题名： | 基于电化学--力耦合模型的锂离子电池扩散极化及扩散应力分析 |
| 关键词： | 新能源汽车;锂离子电池;电化学特性;扩散极化;扩散应力 |
| 摘要： | 目前新能源汽车行业快速发展，对高性能锂离子动力电池的需求十分迫切。然而，由于外部使用不当或内部结构设计不合理，锂离子电池内部会产生严重的扩散极化和扩散应力，进而引起电池容量衰退和电极结构失效。本文以电化学和扩散力学理论为基础，采用试验和仿真相结合的研究方法，对影响电池扩散极化和扩散应力的主要因素开展深入研究，为降低电池极化和应力提供理论依据并指导电池结构设计。本文的主要研究内容包括以下几个方面： （1）对研究用三元锂离子电池进行测试获得电池特性参数，测试主要包括容量标定试验，不同倍率和环境温度的充放电试验，混合电流脉冲能力特性（Hybrid Pulse Power Characteristic，HPPC）试验以及电极参考电位试验。通过试验获取电池在不同条件下的电化学特性和极化内阻特性，结果表明：电池在大倍率或者低温环境下放电会造成电压迅速下降并且放电截止容量减小。此外，电池的欧姆内阻和极化内阻随放电深度整体呈增长趋势，低温环境下趋势更加显著。 （2）基于锂离子电池电化学原理和扩散力学原理，利用COMSOL软件构建锂离子电池的电化学-力耦合模型并对模型的关键参数进行修正。通过耦合原理可知，电极固相扩散应力与电化学特性密不可分，因此本文采用间接验证的方法，利用不同条件下的放电试验以及HPPC试验对模型开展不同电流、不同环境温度以及动态电流工况验证。结果表明模型的精度和适应性良好，最大误差不高于4%。 （3）基于模型采用单因素定量分析的方法，系统地研究电池内、外部影响因素对正负极固相和液相扩散极化的影响过程和作用机制，并进一步探讨其主要影响因素对放电性能的影响规律。外部因素包括放电倍率和环境温度，内部因素包括电极厚度和颗粒半径。结果表明：大倍率和低温条件都会造成固相和液相扩散极化增大，低温时极化现象更加严重。正、负极厚度和负极粒径是影响电池扩散极化的主要内部因素，而正极厚度是同时影响扩散极化和放电性能的关键性因素。 （4）基于模型由放电时负极固相锂离子浓度分布获得颗粒内应力分布情况，进一步系统地分析电池外部因素和电极材料特性对电极颗粒内扩散应力的影响规律和内在机制。电极材料特性主要涉及材料的弹性模量、泊松比、孔隙率、粒径和厚度。结果表明：放电时负极颗粒呈收缩状态，颗粒中心受到静水压应力，颗粒表面受到最大拉应力且易在放电结束时发生断裂。外部因素对颗粒内应力影响较大，而电极材料特性中的孔隙率和粒径是影响颗粒内扩散应力的主要内部因素，在电极设计时需要充分考虑。 |
| 作者： | 戴玮 |
| 专业： | 车辆工程 |
| 导师： | 刘良 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 江苏大学 |
| 学位年度： | 2020 |
| 正文语种： | 中文 |
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