安全工程专业中期报告及外文翻译

论文题目基于COMSOL的三元锂离子电池穿刺情况下的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、口计算机软件、☑综合论文中期检查日期2024年4月是否涉密口是☑否一、研究内容1、课题主要研究内容本课题的主要研究内容为针对新能源汽车所使用的三元锂电池，从电池的热失控特性出发，通过COMSOL软件进行其因被穿刺而发生内短路时的仿真模拟，分析锂电池在该情况下所发生的热失控行为，并结合仿真模拟所得到的结果，结合现有的理论知识和研究，对不同的针刺情况下电池热失控行为所受的影响展开讨论，以此为锂电池后续的设计改进提出建议。1)查阅相关文献及GB38031-2020标准，了解锂离子电池热失控问题的国内外研究现状并分析锂电池内部组成成分、结构特征，掌握锂电池基本工作原理与发生热失控的机理，了解其热失控时所发生的副反应。2)结合相关资料，通过COMSOL软件建立18650型三元锂电池的三维物理模型，对其进行网格划分并设置边界条件参数。这种电池目前市场上应用广泛，且有着较为标准化的尺寸和规格，因此研究该电池所得的结果具有较高的参考价值和适用性。此外其在市场上的广泛应用也使得相关的实验数据与研究成果相对丰富，可以提供更多的参考和借鉴。3)利用COMSOL软件和副反应产热计算公式，建立锂电池的穿刺热失控模型，通过数值模拟来探究刺针直径、刺入深度、刺入位置等因素对电池热失控发生进程的影响。4)根据仿真结果，对锂电池热失控问题可能的影响因素展开讨论，并对后续设计改进提出相关建议。课题与安全工程专业契合度描述近年来我国电动汽车的数量得到了大幅度的增长，据统计，2023年全球新能源汽车销量达到14653万辆，同比增长35.4%，其中，中国的新能源汽车销量就达到949.5万辆，占全球总销量的64.8%。随着电动汽车数量上涨的还有电动车的安全事故，这一问题引发了社会上的广泛关注，而电动汽车的安全隐患中很大一部分源于其动力电池的热安全性不足，很容易发生热失控而起火，从而严重危害人们的生命财产安全。滥用安全是锂离子电池在使用中最可能遇到的安全问题，滥用包括热滥用、机械滥用和电滥用，在这其中外部加热、机械刺破、过充电三种滥用情况是最容易引发起火或爆炸，也最难以克服的。对于这三种典型滥用情况，国家标准规定了热箱、针刺和过充安全性测试项目。本课题旨在通过穿刺模拟研究电池内短路所造成的热失控情况来探究刺入深度、穿刺直径、穿刺速度等不同的针刺情况对电池热失控产生的影响。相较于进行真实的锂电池穿刺试验，对于锂电池穿刺工况下的热失控行为仿真有着更低的成本、更容易达成的条件，也规避了很多安全隐患。本课题结合现有的研究资料和数据结论来建立相关的仿真模型，在研究不同针刺情况对锂电池热失控行为的影响的同时，也对现有资料进行了验证，同时还为相关的后续研究提供了一定的数据基础，有利于其他与本课题相关的模拟仿真的进行，为后续人们提高电池安全性而进行更多的尝试做出贡献-1-二、研究方案设计1、研究方法针对锂离子电池的仿真研究，使用较多的软件有ANASYS/FLUENT和COMSOL Multiphysics。在本课题中选用的是COMSOL软件，COMSOL Multiphysics是一款的多物理场建模与仿真软件，其在工程和科学领域的应用极为广泛。这款软件的最大亮点在于其强大的多物理场耦合分析能力，它能够在单模型中精确模拟各种物理现象，包括但不限于传热、流体力学、电磁场等，并且能够精准地分析这些物理现象之间的相互作用。为了满足不同领域的模拟需求，COMSOL提供了丰富的物理场模块，根据实际需要可以选择合适的模块进行仿真。无论是系统中热传递过程的仿真，还是化学反应的模拟，COMSOL都能提供强大的支持。此外，COMSOL还具备灵活的几何建模工具。除了可以直接在软件中创建所需的几何模型，还可以导入CAD文件或利用现有的几何形状进行建模。这种灵活性有助于更加便捷地构建复杂的仿真模型，大大提高了仿真的效率和准确性。最后COMSOL软件丰富的后处理功能还可以对仿真结果进行深入的可视化分析，由此来更好地理解其中的物理机制。本课题研究需要建立三元锂离子电池的三维几何模型：还需要对电物理场和热物理场进行耦合：并且涉及到锂电池穿刺过程中的电化学反应、热传导等过程：此外还有最终仿真结果的处理分析问题。这些方面COMSOL软件都相较于ANASYS/FLUENT更具优势，此外ANASYS/FLUENT在应用时需要配合UDF(用户自定义编程)倒用，而UD℉的使用要求用户具备一定的编程基础，这无疑增加了学习使用的时间成本，从时间上可能会比较紧迫。并且对于锂离子电池这类涉及到很多偏微分方程的，较为复杂的模型，ANASY/FLUENT可能会需要较大的计算资源。因此，结合以上多种因素考虑，本课题决定采用COMSOL Multiphysics软件进行锂离子电池穿刺情况下热失控仿真分析。2、总体方案（包括理论分析及计算、实验方法和步骤)对三元锂离子电池的结构进行了解，选取某商用18650型三元锂电池为研究对象，该电池由正极材料、隔膜、负极材料、电解液、外壳及其他部分构成，其中正极材料为镍钴锰酸锂Li(Ni3Co1sMn1s)》O2,负极材料为石墨C。当电池处于工作状态时，锂离子会在电池正负极之间进行可逆的脱出和嵌入，在此时，为了平衡电荷，电子就会从外部电路向对应电极进行转移，电池的充放电过程由此完成。反应如下所示：正极反应：LiNio.3 Co0.3 Mno302 Li1-xNio3Co03 Mno302 xLi xe(1)负极反应：C+xLi+e→CLix(2)电池总反应：LiNio3Co03Mn0302+C Li1-xNio3Co03Mno302 CLix(3)根据课题研究对象“三元锂离子电池穿刺情况下的热失控行为”，会使用到的物理场有电物理场与热物理场，并需要对以上二者进行耦合，表1.1罗列了耦合模型建立所需的相关参数：表1.1耦合模型参数表参数单位负极正极传热系数W/(m*K)13.6密度kg/m>23002500比热容J/(kg*K)8811050电导率S/m100100最大山+浓度mol/m33.1c42.9e4粒子半径um22-2-孔隙率0.330.28因为反应过程是瞬态的，温度等参数会随时间的变化而变化，所以模型建立之前应选择瞬态求解器：在电池中，有关电化学反应的一些基本参数如表12所示：表12瞬态求解参数表参数单位石墨镍锰钴酸锂电导率S/m100100导热系数W/(m*K)13.6参考浓度mol/m33150749000恒压热容J/(kg*K)8811050电极最大荷电状态0.980.975电极最小荷电状态100阳极反应系数10.50.5阴极反应系数10.50.5初始电解质盐浓度mol/m312001200电解质相体积分数10.4440.400固相体积分数10.3840.43电解质参考浓度mol/m311在电池几何模型的构建中，首先需要建立锂电池的一维模型，并在其中添加正负极与电解质材料，随后根据电池结构图（图1）与相关参数（表1.3）建立电池的三维模型（图2）安全阀正极棱线柱整片PTC元件隔膜板正极蓄电池外壳负