[發明專利]基于差式掃描量熱儀實驗的不同荷電狀態條件下鋰離子電池熱失控三維建模方法

有效

• 申請號: 202210648270.8
• 申請日: 2022-06-08
• 公開（公告）號: CN114864011B
• 公開（公告）日: 2023-05-12
• 發明（設計）人: 王志榮;何騰飛;鄭楊艷
• 申請（專利權）人: 南京工業大學
• 主分類號: G16C20/10
• 分類號: G16C20/10;G16C20/70;H01M10/0525;G06F30/27;G06F30/28;G06N3/126;G06F113/08;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 南京千語知識產權代理事務所(普通合伙) 32394
• 代理人: 尚于杰

1.基于差式掃描量熱儀實驗的不同荷電狀態條件下鋰離子電池熱失控三維建模方法，其特征在于，包括如下步驟：

S1：獲取設定荷電值的鋰離子電池活性材料，對其進行差式掃描量熱儀實驗，分別獲取鋰離子電池活性材料在不同溫升速率下的熱流曲線；

S11：利用充放電儀對鋰離子電池充電到設定的電量值，然后放入手套箱內進行拆解，獲取電池的正極活性材料、負極活性材料、電解液和隔膜，將活性材料、負極活性材料和隔膜制成粉末；

并將正極活性材料與負極活性材料按照全電池中正負極活性材料等比例混合，記為A；并將負極活性材料與電解液等比例混合，記為B；正極活性材料，記為C；隔膜，記為D；電解液，記為E；將正極和電解液等比例混合，記為F；負極，記為G；

S12：利用標準鋁坩堝分別將步驟S11中的A、B、C、D四種物質放入DSC設備中，分別在10℃min^-1，15℃min^-1，20℃min^-1，25℃min^-1四種溫升速率下進行實驗；

S2：使用非線性擬合的方法將電池的熱流曲線分為多個反應峰，得到電池各個峰的反應焓；

S3：利用Kissinger方程對步驟S1中獲取的熱流曲線進行分析，得到鋰離子電池活性材料的活化能和指前因子；

S4：使用遺傳算法擬合電池材料的熱流曲線從而得到鋰離子電池活性材料的反應級數；

為使用遺傳算法擬合電池材料的熱流曲線，得到電池材料的反應級數，使用的鋰離子電池產熱公式如下所示：

Qm_x＝ΔH_x·K_x·m；

c_x,0＝1；

上式中，K_x為電池材料分解反應速率，1/s；c_x為電池材料反應濃度；ΔH_x為電池材料的反應焓，J/g；Qm_x為電池材料產熱，W；c_x,0為電池材料反應濃度初始值；a,b為反應級數；p,d為反應級數；T為電池材料溫度，K；m為電池材料的質量，本式中歸一化為1mg；

電池的峰值溫度和反應焓值可通過步驟S2獲得；電池材料的指前因子和活化能可通過步驟S3獲得；設定目標函數為Qm_x，變量為a、b、p、d，將以上公式編入MATLAB程序，利用遺傳算法求取最佳擬合目標函數的Qm_x值，得到最佳匹配Qm_x值的a、b、p、d值；

S5：建立鋰離子電池熱失控模型，將步驟S2-S4中獲取的鋰離子電池活性材料參數帶入模型，獲取鋰離子電池熱失控模擬結果，將該模擬結果與步驟S1中所述鋰離子電池的真實熱失控實驗結果進行對比，驗證模型的可行性；

所述鋰離子電池熱失控三維模型控制方程和邊界條件如下；

能量守恒方程：

Q_total＝Q_caan+Q_sep+Q_anele+Q_ca；

Q_x＝ΔH_x·K_x·W_x；

c_x,0＝1；

熱邊界條件：

上式中，各參數的含義如下：

t時間，s；

R理想氣體狀態常數,8.314，J/mol/K；

T電池材料溫度，K；

C_p比熱容，J/kg/K；

T_amb環境溫度，K；

Q_total總產熱，W/m³；

Q_caan正極和負極混合材料產熱，W/m³；

λ電池材料導熱系數，W/m/K；

Q_sep電池隔膜產熱，W/m³；

Q_anele電池負極和電解液混合材料產熱，W/m³；

Q_ca電池正極材料產熱，W/m³；

K_x電池材料分解反應速率，1/s；

W_x電池材料質量分數，kg/m³；

ΔH_x電池材料反應焓，J/g；

c_x電池材料反應濃度；

b反應級數；

p反應級數；

d反應級數；

h換熱系數，W/m²/K；

∈發射率系數；

σ斯蒂芬玻爾茲曼常數5.67×10^-8W?m^-2K^-4；

A_x電池材料指前因子；

c_x,0電池材料反應濃度初始值；

S6：改變鋰離子電池的荷電狀態，在不同荷電狀值下分別重復步驟S1-S5，研究不同荷電狀態對鋰離子電池熱失控的影響。