[发明专利]一种锂离子电池热失控危险性控制方法

说明书

本发明涉及电池技术领域，公开了一种锂离子电池热失控危险性控制方法，首先应用X‑ray扫描法或FIB‑SEM扫描法，并对扫描得到的图像数据进行处理，生成锂离子电池电极三维微观结构；然后建立微观结构内部的电化学‑热耦合模型，用于模拟物质和电荷输运过程、化学反应过程以及产热和传热过程；最后应用电化学‑热耦合模型，计算不同放电倍率下微观结构内部的最高局部温度，并获得引发热失控发生的危险性结果，对锂离子电池进行相应的控制。本发明考虑了微观电极结构对物质输运和产热与传热的影响，可分析比较和控制不同微观结构的锂离子电池热失控的危险性，同时对锂离子电池针对热失控的预防设计起到重要的指导作用。

技术领域

本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种锂离子电池热失控危险性的控制方法。

背景技术

随着新能源电动汽车和混合动力汽车的逐渐发展，锂离子动力电池得到越来越广泛的应用。锂离子电池有能量密度高、电压平台好等优点，但是由于锂元素化学性能较为活泼，在高温、短路、过充或受到机械撞击等故障发生时易发生热失控事故。电池热失控是指电池内部化学反应失去控制，化学能迅速转化为内能，在短时间内使电池温度迅速升高，乃至出现燃烧爆炸，会对电动汽车及乘客的安全造成极大的威胁。

除了外部故障，锂离子电池的内部物理化学特性对电池热失控发生的危险性也有较大的影响，如电极和电解液的材料特性、电池的生热散热特性以及电极的微观结构特性等。电池在正常工作的情况下，可能在电池内部会发生短暂的局部高温，当此温度超过一定范围时，会引起电池一系列副反应的发生，最终导致热失控的发生。

这种局部高温点的出现与电池本身的物理化学和微观结构特性有关。然而现有的热失控研究方法往往考虑电池热失控后宏观的化学反应和温度演化情况，而不能综合考虑电池的物理化学热性和电极的微观结构特性，通过研究内部局部高温点的出现，控制电池热失控的危险性。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种锂离子电池热失控危险性控制方法，能模拟电池微观结构内化学反应和传热情况，从而预测局部高温点的发生，控制热失控危险性。

本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种锂离子电池热失控危险性控制方法，其包括如下步骤：

(1)应用X-ray扫描法或FIB-SEM扫描法，并对扫描得到的图像数据进行处理，生成锂离子电池电极三维微观结构；

(2)建立所述锂离子电池电极三维微观结构内部的电化学-热耦合模型，该模型用于模拟物质和电荷输运过程、化学反应过程以及产热和传热过程；

(3)应用所述电化学-热耦合模型，计算不同放电倍率下所述锂离子电池电极三维微观结构内部的最高局部温度，并获得该最高局部温度引发热失控发生的危险性结果；根据得到的危险性结果，对锂离子电池进行相应的控制。

步骤(1)生成的所述锂离子电池电极三维微观结构的分辨率为0.02到0.1倍的电极活性材料颗粒平均直径；所述锂离子电池电极三维微观结构的像素点的数量在100×100×100到1000×1000×1000之间。

步骤(1)中所述X-ray扫描法适用于活性颗粒直径大于20微米的材料的电池，所述FIB-SEM扫描法适用于活性颗粒直径小于等于20微米的材料的电池。

所述电化学-热耦合模型包括电解液中锂离子的输运控制方程、活性材料中锂的输运控制方程，电解液中和活性材料中的电荷守恒控制方程，电解液与活性材料界面处的电化学反应控制方程，电解液中和活性材料中的产热控制方程和电解液与活性材料界面处的产热控制方程，以及传热控制方程；

所述电解液中锂离子的输运控制方程为：