基于COMSOL的三元锂离子电池穿刺热失控行为研究（开题）

论文题目基于COMSOL的三元锂离子电池穿刺热失控行为研究选题来源口国家级、口省部级、口厅局论文类型口工程设计、口理论研究、口实验研级、口横向、☑自拟究、口计算机仿真、☑综合论文开题日期是否涉密口是☑否一、立题依据1、研究目的和意义当前我国的新能源汽车产业快速发展，电动汽车数量大幅增长，锂离子电池由于高能量密度的优点，在车辆动力领域得到快速推广和应用，已经成为最常见的动力电池但与此同时，人们对其安全性也产生了一定的担忧，近年来，国内外电动汽车火灾事故频发综合电动汽车火灾事故案例发现，电动汽车火灾的常见原因为锂离子电池受到外部冲击起火或充电状态下发生热失控，根据资料，电动汽车火灾事故的原因中，撞击起火占34.7%☒。作为新能源车辆的核心部件，动力电池安全性已经成为新能源车辆发展过程中首先需要考虑和解决的核心问题。对于锂离子电池而言，电池安全问题主要表现为热失控引起的起火和爆炸，目前针对锂离子电池热失控的触发方式主要包括过充、加热和针刺三种形式，其中针刺试验是通过无锈蚀钢针垂直于电池极片进行穿刺，可以直接造成电池内部发生内短路，导致电池本体存储能量快速异常释放，是模拟电池内短路并分析电池本征安全风险特性的有效手段。此外针刺也可以模拟电动汽车发生碰撞时，电池可能受到的最严重的破坏情况。本文旨在通过穿刺模拟研究电池内短路所造成的热失控情况，结合现有理论知识和研究，探究不同的针刺情况对电池热失控产生的影响，进而对电动汽车发生碰撞时，应如何做到最大限度地避免对电池造成伤害乃至于发生火灾的问题展开讨论，并对其后续设计改进提出相关建议。2、国内外研究现状和发展趋势（不少于2000字）对于电池热失控问题，可能的原因有许多，对此也有很多学者进行了研究，但是对于其中的原理尚且还没有研究透彻。根据目前的研究成果来看，人们普遍认同的导致电池产生热失控的原因有以下四点，即：内短路、外短路、过充电与过放电。在国外，针对电池的内短路问题，wag博士的团队和加州橡树岭国家实验室的Dudney博士，以及Motorola公司的Malek等人，针对锂电池的内短路问题开展了深入研究B,他们对锂离子聚合物电池的内部发生短路故障的情况进行了试验模拟，展现出各种规格的锂离子电池在出现内部短路后的热稳定性，后续其研发重心放到了如何减少内部短路时电池所受到的伤害上，并创造性地提出了在电池发生内短路问题时把整个电池断开，以此来控制内短路电流的思路。在锂电池的外短路问题上，慕尼黑工业学院的Rheinfeld博士和他的团队开展了深入研究，他们的主要研究内容是锂电池在遭遇外部短路故障时的安全稳定性，讨论的焦点就是电池在准均温情况下出现了外部短路的情形，Rheinfeld博士和他的团队首先在不同的试验环境下进行了外部短路的试验工作，并阐述了电池在外部短路条件下的电池特性及其在内部产生反应的机制，之后进行了外部短路的模拟与仿真56。Zhao等人建立了结合五种副反应的热模型，用以分析不同散热条件下局部加热阴极集流体表面的锂电池时，其热失控过程中隔板的温度分布变化和热特性。实验结果表明，当电池的散。1热系数达到10wm2K)时，可以有效控制电池热失控的发生，但隔板表面的温度分布均匀性变差。随着电池加热温度和加热面积的增加，材料的消耗率增加，但最大温升和副反应类型没有变化。对于本文所模拟的电池穿刺情况，日本早稻田大学也开展了大量的研究，并在试验中首先使用了X射线来观测电池内部状况，此外他们还对针刺引起电池热失控的情况开展了系统性的研究。Gianfranco Pistoia等对电芯SOC与针刺热失控的相关性进行了研究，他们对不同SOC的标称容量为2.2A山的18650锂离子电池做了针刺测试。测试发现，锂离子电池针刺安全性与电池SOC状态密切相关，电池SO℃越高，电池短路时释放电能越多，生热越大，越容易引发热失控。另外，Cheon-Soo Kim等人对锂离子进行针刺测试后，发现针刺后电池针刺位置有不同的毛刺。他们认为金属毛刺引发了锂离子电池内短路，可以通过改变毛刺状态来改善锂离子电池安全性。为探究电荷状态、穿透位置、穿透深度、穿透速度和钉直径对热失控的影响，Huag等1g用不锈钢钉对18650磷酸铁锂电池进行了不同条件下的渗透试验。他们用加速量热仪揭示了热失控机理。实验结果表明，电池的$0C比较大时，电池发生TR的可能性和风险会更大，并且TR发生的地方似乎存在一个临界穿透深度。此外当穿透位置靠近正极和负极时，T的风险远高于电池的中心位置。他们还发现，钉子直径比较大时，18650型磷酸铁锂电池的整体温度会更低。而在国内，清华大学的欧阳明高院士和他的团队联合斯坦福大学、香港科技大学等以如何诊断电池发生内部短路的故障为重点，针对锂电池的内部短路故障问题进行了大量研究工作，并建立了相关模型，通过检测模型发生故障的方法来检查锂电池内部是否发生短路，在后续的试验中，检测算法的有效性得到了验证。对于外短路故障问题，北京理工大学的孙逢春院士和他的团队进行了大量深入且系统的研究工作1)，他们通过试验分析了电池在发生外部短路故障时其内部的电化学与热量产生的机理，他们还分析了外界的环境温度、电池的荷电状态等因素如何对外部短路的特性产生了影响，描述了电池在发生外部短路故障时其内部的产热机理，并且建立了电池外部短路故障的诊断方法，为以后关于电池外部短路故障的研究提供了非常重要的支撑。北京航空航天大学的许骏教授和他的团队针对于电池在受到穿刺、挤压等机械滥用情况下造成的故障问题进行了大量的研究工作6，他们针对18650锂电池利用模拟软件进行了建模，耦合了其电化学-机械-热特性，对锂电池在受到机械滥用状况下从初始形变发展到热失控的过程进行了模拟仿真，并分析了电池的荷电状态对于热失控行为的影响。西安建筑科技大学的赵江平教授与他的学生以车用方形NCM三元锂电池为研究对象，通过电池的本征安全设计、被动安全设计和主动安全设计三个方面对三元锂电池的热失控进行风险控制研究测。哈尔滨工业大学的孙延先博士针对外部加热、机械刺破、过充电三种典型滥用情况进行了热仿真和实验研究，并提出了有效的改进方法，此外还对动力锂离子电池单体及模组的过充热失控扩散机理进行了分析和研究2。主要参考文献[]周兴振，孙丙香，张维戈，等.钛酸锂动力电池针刺内短路试验与机理研究U机械工程学报，2023[2]杨晓菡，张怡，邓玲，等.锂离子电池汽车全尺寸火灾试验研究进展综述消防科学与技术，2024-2[3]WANG H,SIMUNOVIC S,MALEKI H,et al.Internal configuration of prismaticlithium-ion cells at the onset of mechanically induced short circuit[J].Journal of PowerSources,2016,306:424-430.[4]CAI W,WANG H,MALEKI H,et al.Experimental simulation of internal short circuit in Li-ion and Li-ion-polymer cells[J].Journal of Power Sourc