[发明专利]一种手机运行时的锂离子电池热失控预测方法

权利要求书

1.一种手机运行时的锂离子电池热失控预测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：建立包含锂离子电池的手机几何物理模型，划分所述几何物理模型的有限元网格，定义手机内各组成部分的材料属性；

步骤二：建立锂离子电池充放电的数学物理模型、锂离子电池内部化学反应产热数学模型及手机传热模型；

步骤三：基于所述锂离子电池充放电的数学物理模型和所述锂离子电池内部化学反应产热数学模型，采用有限元法仿真手机运行时锂离子电池充放电过程及锂离子电池内部电化学反应过程；

步骤四：基于所述手机传热模型，采用有限元法仿真手机运行时内部元器件、锂离子电池充放电和锂离子电池内化学反应的产热作为热源时的手机传热过程；

步骤五：预测锂离子电池热失控过程。

其中，所述锂离子电池充放电的数学物理模型包括电荷守恒方程、质量守恒方程和电化学反应动力学方程；锂离子电池内部化学反应产热数学模型包括SEI分解反应、阴极材料与电解质反应、阳极材料与电解质反应和电解质分解反应产热模型；手机传热模型中的热源包括：锂离子电池充放电产热、锂离子电池内部电化学反应产热、手机元器件产热。

2.如权利要求1所述的手机运行时的锂离子电池热失控预测方法，其特征在于，在电解质中，正、负离子为导电电荷，且电解质溶液为浓溶液，所述电荷守恒模型以如下公式(1)表示：

$\frac{\∂}{\∂x}\left(k_{eff}\frac{\∂\mathrm{\φ}}{\∂x}\right)+\frac{2RT}{F}(1-t_{+}^0)\frac{\∂}{\∂x}\left(k_{eff}\frac{\∂lnc}{\∂x}\right)=0;---\left(1\right)$

式(1)中，φ为电势，k_eff为电解质等效导电系数，为锂离子的迁移数，R为普适气体常量，T为温度，F为法拉第常数，x为一维电极在锂离子电池厚度方向上的坐标，c为锂离子浓度；

在电极活性材料颗粒中，导电电荷为电子，所述电荷守恒模型以如下公式(2)表示：

${\mathrm{\σ}}_{eff}\frac{{\∂}^2\mathrm{\φ}}{\∂x^2}=aFJ;---\left(2\right)$

式(2)中，φ为电势，σ_eff为电极活性材料颗粒、集流体的等效导电系数，J为电解质与电极活性材料颗粒之间的电化学反应电流密度，a为电极的活性材料颗粒的比面积，F为法拉第常数，x为一维电极在锂离子电池厚度方向上的坐标；

在电解质中，锂离子在浓度梯度作用下扩散，所述质量守恒模型以如下公式(3)表示：

$\mathrm{\ϵ}\frac{\∂c}{\∂t}=\frac{\∂}{\∂x}\left(D_{eff}\frac{\∂c}{\∂x}\right)+(1-t_{+}^0)aJ;---\left(3\right)$

式(3)中，ε为孔隙率，c为锂离子浓度，t为时间，D_eff为锂离子在电极活性材料颗粒中的等效扩散系数，为锂离子的迁移数，J为电解质与电极活性材料颗粒之间的电流密度，a为电极的活性材料颗粒的比面积，x为一维电极在锂离子电池厚度方向上的坐标；

在电极活性材料球形颗粒中，锂离子在浓度梯度作用下扩散，所述质量守恒模型以如下公式(4)表示：

$\frac{\∂c}{\∂t}=D\frac{1}{r^2}\frac{\∂}{\∂r}\left(r^2\frac{\∂c}{\∂r}\right);---\left(4\right)$

式(4)中，c为锂离子浓度，t为时间，r为球坐标，D为锂离子在电极活性材料颗粒中的扩散系数；

在电极活性材料颗粒与电解质界面的电化学反应动力模型以如下公式(5)表示：

$j^{Li}=\frac{i_n}{F}=\frac{i_0}{F}\{\exp \left(\frac{\mathrm{\α}F}{RT}\mathrm{\η}\right)-\exp \[-\frac{(1-\mathrm{\α})F}{RT}\mathrm{\η}\]\},---\left(5\right)$

其中，η＝φ_s-φ_l-U_OCP，i₀＝Fk(c_l)^α(c_θ)^α(c_s)^1-α，c_θ＝c_max-c_s；

式(5)中，j^Li为电化学反应速率，i₀为交换电流密度，η为界面过电压，U_OCP为开路电压，i_n为电极活性材料颗粒单位面积上的反应电流密度，α为电极反应中过电压在电化学反应中的比重，c_l为电解质中的锂离子浓度，c_s为电极活性材料颗粒表面锂离子浓度，k为反应常数，c_θ为电极活性材料表面的锂离子浓度空隙，c_max为电极活性材料颗粒理论上的最大的锂离子浓度。