基于锂离子嵌入模型的NCM811电池性能.docxVIP

摘要本工作以NCM811电池为主要研究目标，探究在正常工作情况下的电池性能。具体包括不同环境温度与放电倍率下的放电性能，以及初次循环与第2000次循环时的电池容量变化，得到电池的电压曲线，并将结果与NCM523电池以及NCA电池进行对比。同时，由于NCM811电池存在热安全问题，因此，探究了其在热失控情况下自身的电压与温升情况，总结了其温度传递规律，并与实验结果进行对照。基于上述结果得到：电池在正常工作情况下，NCM811电池在倍率充放电性能上表现优异，在大倍率充放电时电池容量保存较好，NCM523电池与NCA电池均表现出电池容量衰减；在电池的循环老化方面，与NCM523电池相同，NCM811电池也表现出明显的容量衰减，NCA电池容量几乎不发生变化；在高低温放电方面，电池在低温时的产热均高于高温时的产热，在相同的环境温度下，NCM811电池温升最为明显，存在较大的热安全隐患，NCM523电池与NCA电池升温较为平缓；在电池发生热失控时，电池电压突降至0V，温度短时间内升至1200K左右，仅在发生热失控的部分，温度随时间变化明显，其余部分温度趋于恒定。与实验过程相比，仿真过程热失控触发时间较晚，温度升高较快，电池最高温度较低。

关键词锂离子电池；电压曲线；温升曲线；热失控

由于“碳达峰，碳中和”等政策的提出与落实，为了减少二氧化碳排放，化石能源逐渐被清洁能源替代，如风能、太阳能、核能等。同时，新能源汽车的发展受到了人们的关注。相比于传统的内燃机系统，新能源汽车凭借其清洁、环保的特性成为了当前政策下的优选。由于锂离子电池容量高、能量密度高、循环寿命长、自放电率低，成为了新能源汽车的首选，目前正广泛应用于新能源汽车。锂离子动力电池作为电动汽车中的供能元件，影响着汽车的续航里程、安全性与使用寿命。目前市面上使用的锂离子电池主要是磷酸铁锂电池与三元锂电池。磷酸铁锂电池由于材料的限制，容量无法得到提高，同时无法应对较大功率的充放电循环，发展受到了一定的影响，三元锂电池凭借更大的容量与更优的性能，有更加良好的发展前景。

三元锂材料(LiNixCoyMnzO2)最早由张海林合成，广泛应用于离子电池中。后因其比容量最高等因素，受到厂家的青睐，近年来开始在新能源汽车中大量使用。随着三元锂材料的出现，现已有NCM111，NCM424，NCM523，NCM622，NCM811等不同元素比例的材料。许多研究人员经试验证实，随着镍含量的增大，电池单体能量密度可由180Wh/kg增加至250Wh/kg。但镍含量的增加，在带来了高能量密度的同时，也带来了一定的缺陷。首先是正极NCM材料更易吸水潮解，使得电池对电解液制备工艺与电池整包的密封性提出了更高的要求与挑战[9]；其次是正极材料稳定性的下降，降低了电池的安全性，使电池更易发生热失控等灾害。

为了对锂离子电池的电化学过程与热过程有更加深刻的了解，研究人员对锂离子电池开始进行研究。工作主要从两个方向展开：一方面是针对当下常用电池的实验研究，另一方面是对非常规工况与新型材料的仿真模拟。刘慧等通过对三元锂电池进行实验研究，发现随着电池放电倍率增大，电池放出的电量有一定的减少。众多学者对NCM111、NCM523、NCM811等材料制成的电池，结合一维电化学模型与三维传热模型，进行了单独的电热耦合仿真。结果表明，正极材料中镍含量的提升使电池的整体产热得到了一定的提高。靳成杰等对NCM111、NCM523、NCM622、NCM811电池进行循环充放电实验，发现锂离子电池循环容量衰减与正极材料中镍含量相关，当镍含量较高，如采用NCM622、NCM811，电池容量衰减呈线性下降；对于镍含量较低的电池如NCM111与NCM523，随着循环次数的增加，循环后期容量衰减的速度加快。王鹏等对18650型三元锂电池进行高低温实验，探求环境温度对锂离子电池放电性能的影响。结果表明，高温会使电池容量提升约5%，低温会使电池容量降低25%左右。

近年来，电池热失控的问题受到大量关注。电池热失控的诱因有很多，总体可分为三种滥用：机械滥用、电滥用和热滥用。其中热滥用是可控程度最小的诱因。学者们也针对热滥用进行了诸多实验与仿真研究，以探究电池热失控时的反应机理与详细进程。李坤利用绝热加速量热仪对26Ah软包三元锂离子电池单体进行了高温热失控试验研究，研究表明，锂电池开路电压的骤然下降是热失控开始的明显标志；在进行高温热失控实验时，电池达到的最高温度与电池的荷电状态有紧密的联系，荷电状态越高，电池达到的温度越高，同时达到热失控的时间越短。陶欢利用COMSOLMultiphysics软件，对三元软包动力电池的高温热失控情况进行建模分析，研究了锂离子电池高温热失控过程，结果发现，环境温度越高，电池发生热失控的风险性越大；除隔膜分