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三元软包锂离子电池放电过程扩散诱导应力与热应力对比研究
1
作者
王瑞梓
刘训良
+2 位作者
豆瑞锋
周文宁
方娟
《储能科学与技术》
CAS
CSCD
北大核心
2024年第4期1128-1141,共14页
为了明晰锂离子电池在放电过程中产生的扩散诱导应力和热应力对电池的影响,使用Comsol Multiphysics 6.0建立了18.5 Ah软包NCM111锂离子电池的电化学-力-热耦合模型,基于该模型对不同放电倍率下电池的负极颗粒中心表面锂浓度差、扩散诱...
为了明晰锂离子电池在放电过程中产生的扩散诱导应力和热应力对电池的影响,使用Comsol Multiphysics 6.0建立了18.5 Ah软包NCM111锂离子电池的电化学-力-热耦合模型,基于该模型对不同放电倍率下电池的负极颗粒中心表面锂浓度差、扩散诱导应力、热应力及膨胀行为进行了仿真分析。扩散诱导应力可通过一维电化学模型及其衍生的颗粒维度进行仿真分析,而热应力则需要通过三维固体力学和传热模型进行仿真。研究结果表明,随着放电倍率的增加,电池产生的扩散诱导应力和热应力都会增大,因此,低放电倍率有助于降低电池产生的应力。负极颗粒产生的扩散诱导应力与颗粒中心表面锂浓度差相关,颗粒中心与表面的锂浓度差随着放电过程的进行逐渐增大。将一维模型中的负极视为由无数负极颗粒组成的线段,放电前期,靠近隔膜端的颗粒中心与表面锂浓度差高于集流体端,放电后期则相反,这个变化发生的转折点在放电深度为60%~70%之间。这也意味着放电前期隔膜端的负极颗粒产生的扩散诱导应力大于集流体端的负极颗粒,也更容易破裂,而放电后期则相反。负极颗粒产生的扩散诱导应力大小为兆帕级,远高于电芯产生的大小为千帕级的热应力。同时,电芯产生的热应力和最大位移与电池温差呈线性关系,随着放电倍率的增加而增大。值得注意的是,与圆柱形电池不同,软包电池的极耳与电芯连接处会产生较大的热应力。本研究对比分析了软包NCM111锂离子电池放电过程产生的扩散诱导应力与热应力,为电极和电芯的制造及应力监测提供理论支撑。
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关键词
三元软包锂电池
多物理场耦合模型
扩散诱导应力
热
应力
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职称材料
新型三维三明治状框架结构复合电极材料的扩散诱导应力分析
被引量：
1
2
作者
张静
冯露
+1 位作者
仇巍
张鹏飞
《应用力学学报》
CAS
CSCD
北大核心
2021年第6期2306-2313,共8页
制备出更优异的电极材料是提高锂离子电池性能和电化学储能效率的一种关键策略。针对具有三维框架微结构的三明治状复合电极材料,将"自然"特征函数展开方法用于多层活性材料离子扩散问题的解析求解,使求解过程更简捷,也更符...
制备出更优异的电极材料是提高锂离子电池性能和电化学储能效率的一种关键策略。针对具有三维框架微结构的三明治状复合电极材料,将"自然"特征函数展开方法用于多层活性材料离子扩散问题的解析求解,使求解过程更简捷,也更符合物理实际。在此基础上,根据框架结构刚度的不同,建立力学概念模型,利用叠梁理论在细观尺度研究了电化学扩散过程中应力的演化规律及应力缓冲的机理。最后,研究了厚度比、模量比对应力的缓冲效应。结果表明:柔性结构更有利于电极内部应力松弛,进而保证电极的力学稳定性和结构完整性;应在保证外部活性层应力尽可能小的情况下,适当增加夹心层的厚度;在保证其他材料属性符合要求的前提下,要尽可能选择模量比较小的两种活性材料。
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关键词
锂离子电池
层状复合电极
三维框架微结构
扩散
扩散诱导应力
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职称材料
放电状态对锂离子电池在机械滥用条件下力学响应和失效行为的影响
3
作者
朱烨君
娄本杰
+2 位作者
邓先攀
孟康培
陈晓平
《爆炸与冲击》
北大核心
2025年第2期74-84,共11页
为厘清放电状态对锂离子电池动态力学响应和失效模式的影响规律,系统地开展了锂离子电池在不同放电状态下的准静态压缩特性及其安全性的实验分析。通过预设电池至特定的放电电量,并在放电过程中、放电后静置1和24 h的时间节点上实施压...
为厘清放电状态对锂离子电池动态力学响应和失效模式的影响规律,系统地开展了锂离子电池在不同放电状态下的准静态压缩特性及其安全性的实验分析。通过预设电池至特定的放电电量,并在放电过程中、放电后静置1和24 h的时间节点上实施压缩测试,深入探究了电池的力-位移响应特性、最大承载力及安全性表现。实验结果显示,相较于其他状态,放电状态下的电池展现出较低的力-位移曲线,表明其刚度在静置之后相比于放电过程中有所提升。此外,放电状态下的电池展现出显著高于静置后状态的最大承载力,且在放电过程中进行压缩测试更容易使电池发生爆炸,而静置后的电池则表现出显著提升的安全性。借助扫描电子显微镜分析,进一步确认了放电状态下电池内部电极颗粒的破损程度更剧烈,观测到的现象被归因于放电过程中产生的扩散诱导应力,该应力在电池内部累积,加剧了电池在机械压缩下的损伤风险。
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关键词
放电状态
锂离子电池安全性
压缩测试
力-位移曲线
扩散诱导应力
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职称材料
题名
三元软包锂离子电池放电过程扩散诱导应力与热应力对比研究
1
作者
王瑞梓
刘训良
豆瑞锋
周文宁
方娟
机构
北京科技大学能源与环境工程学院
北京科技大学多模式工业储能技术研发中心
出处
《储能科学与技术》
CAS
CSCD
北大核心
2024年第4期1128-1141,共14页
基金
国家自然科学基金项目(52076012)。
文摘
为了明晰锂离子电池在放电过程中产生的扩散诱导应力和热应力对电池的影响,使用Comsol Multiphysics 6.0建立了18.5 Ah软包NCM111锂离子电池的电化学-力-热耦合模型,基于该模型对不同放电倍率下电池的负极颗粒中心表面锂浓度差、扩散诱导应力、热应力及膨胀行为进行了仿真分析。扩散诱导应力可通过一维电化学模型及其衍生的颗粒维度进行仿真分析,而热应力则需要通过三维固体力学和传热模型进行仿真。研究结果表明,随着放电倍率的增加,电池产生的扩散诱导应力和热应力都会增大,因此,低放电倍率有助于降低电池产生的应力。负极颗粒产生的扩散诱导应力与颗粒中心表面锂浓度差相关,颗粒中心与表面的锂浓度差随着放电过程的进行逐渐增大。将一维模型中的负极视为由无数负极颗粒组成的线段,放电前期,靠近隔膜端的颗粒中心与表面锂浓度差高于集流体端,放电后期则相反,这个变化发生的转折点在放电深度为60%~70%之间。这也意味着放电前期隔膜端的负极颗粒产生的扩散诱导应力大于集流体端的负极颗粒,也更容易破裂,而放电后期则相反。负极颗粒产生的扩散诱导应力大小为兆帕级,远高于电芯产生的大小为千帕级的热应力。同时,电芯产生的热应力和最大位移与电池温差呈线性关系,随着放电倍率的增加而增大。值得注意的是,与圆柱形电池不同,软包电池的极耳与电芯连接处会产生较大的热应力。本研究对比分析了软包NCM111锂离子电池放电过程产生的扩散诱导应力与热应力,为电极和电芯的制造及应力监测提供理论支撑。
关键词
三元软包锂电池
多物理场耦合模型
扩散诱导应力
热
应力
Keywords
ternary soft pack lithium-ion battery
multiphysics coupling model
diffusioninduced stress
thermal stress
分类号
TM911 [电气工程—电力电子与电力传动]
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职称材料
题名
新型三维三明治状框架结构复合电极材料的扩散诱导应力分析
被引量：
1
2
作者
张静
冯露
仇巍
张鹏飞
机构
天津大学机械工程学院力学系天津市现代工程力学重点实验室
出处
《应用力学学报》
CAS
CSCD
北大核心
2021年第6期2306-2313,共8页
基金
国家自然科学基金重大仪器专项(2018YFB0703500)
国家自然科学基金项目(11827802,11772223)。
文摘
制备出更优异的电极材料是提高锂离子电池性能和电化学储能效率的一种关键策略。针对具有三维框架微结构的三明治状复合电极材料,将"自然"特征函数展开方法用于多层活性材料离子扩散问题的解析求解,使求解过程更简捷,也更符合物理实际。在此基础上,根据框架结构刚度的不同,建立力学概念模型,利用叠梁理论在细观尺度研究了电化学扩散过程中应力的演化规律及应力缓冲的机理。最后,研究了厚度比、模量比对应力的缓冲效应。结果表明:柔性结构更有利于电极内部应力松弛,进而保证电极的力学稳定性和结构完整性;应在保证外部活性层应力尽可能小的情况下,适当增加夹心层的厚度;在保证其他材料属性符合要求的前提下,要尽可能选择模量比较小的两种活性材料。
关键词
锂离子电池
层状复合电极
三维框架微结构
扩散
扩散诱导应力
Keywords
lithium ion battery
multilayer composite electrode
3D frame microstructure
diffusion
diffusioninduced stress
分类号
O34 [理学—固体力学]
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职称材料
题名
放电状态对锂离子电池在机械滥用条件下力学响应和失效行为的影响
3
作者
朱烨君
娄本杰
邓先攀
孟康培
陈晓平
机构
宁波工程学院机械与汽车工程学院
长安大学能源与电气工程学院
威睿电动汽车技术(宁波)有限公司
吉利汽车研究院(宁波)有限公司浙江省全省智能汽车全域安全重点实验室
出处
《爆炸与冲击》
北大核心
2025年第2期74-84,共11页
基金
国家自然科学基金(12402457)
浙江省汽车安全技术研究重点实验室开放基金(GL/20-002X)
宁波市自然科学基金(2023J389)。
文摘
为厘清放电状态对锂离子电池动态力学响应和失效模式的影响规律,系统地开展了锂离子电池在不同放电状态下的准静态压缩特性及其安全性的实验分析。通过预设电池至特定的放电电量,并在放电过程中、放电后静置1和24 h的时间节点上实施压缩测试,深入探究了电池的力-位移响应特性、最大承载力及安全性表现。实验结果显示,相较于其他状态,放电状态下的电池展现出较低的力-位移曲线,表明其刚度在静置之后相比于放电过程中有所提升。此外,放电状态下的电池展现出显著高于静置后状态的最大承载力,且在放电过程中进行压缩测试更容易使电池发生爆炸,而静置后的电池则表现出显著提升的安全性。借助扫描电子显微镜分析,进一步确认了放电状态下电池内部电极颗粒的破损程度更剧烈,观测到的现象被归因于放电过程中产生的扩散诱导应力,该应力在电池内部累积,加剧了电池在机械压缩下的损伤风险。
关键词
放电状态
锂离子电池安全性
压缩测试
力-位移曲线
扩散诱导应力
Keywords
discharge state
lithium-ion battery safety
compression testing
force-displacement curve
diffusive stress
分类号
O347 [理学—固体力学]
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职称材料
题名
作者
出处
发文年
被引量
操作
1
三元软包锂离子电池放电过程扩散诱导应力与热应力对比研究
王瑞梓
刘训良
豆瑞锋
周文宁
方娟
《储能科学与技术》
CAS
CSCD
北大核心
2024
0
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职称材料
2
新型三维三明治状框架结构复合电极材料的扩散诱导应力分析
张静
冯露
仇巍
张鹏飞
《应用力学学报》
CAS
CSCD
北大核心
2021
1
在线阅读
下载PDF
职称材料
3
放电状态对锂离子电池在机械滥用条件下力学响应和失效行为的影响
朱烨君
娄本杰
邓先攀
孟康培
陈晓平
《爆炸与冲击》
北大核心
2025
0
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