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锂离子电池安全性能评价技术研究

段冀渊  
【摘要】:锂离子电池作为一种更高效、更环保的电源储存设备已深入应用到各种电子产品中。然而现实和多种研究都表明,锂离子的活性和锂离子电池的高能量密度特性也会给电池安全性带来较大的问题。遗憾的是,目前对于锂离子电池的安全性能,尤其是对一些潜在的微小的结构缺陷所带来的安全隐患的筛查,其检验方法和标准始终落后于锂离子电池新技术的发展,评价方法和评价体系尚未适应锂离子电池安全性能评估的要求。 为了确保锂离子电池的安全性能,本论文提出深入研究影响锂离子电池安全性能的本质因素,开发出新型的锂离子电池安全性能评价体系,有效评价锂离子电池的安全性能,降低不合格产品流入市场的风险。 本论文的研究内容主要包括: 1.提出了采用红外热像技术和电性能相结合的“热电”综合体系来评价锂离子电池的安全性能。 本论文将红外热像技术引入锂离子电池过充电安全性能的检测中,从温升和温升曲线出发,结合电性能检测,通过充电过程中的电压曲线和电压极值来快速判断电池的缺陷。本论文建立了3C大倍率过充的安全性能评价体系,并将50℃的温度极值和5.0V的电压极值确定为电池内部是否存在足以引起安全性能伤害缺陷的量化指标,如果在大倍率过充过程中能够同时满足这两个条件,则认为电池的安全性能处于低风险阶段,如果不满足任一量化指标,则认为电池可能存在一些潜在危险,应引起注意。 2.理论方面,基于Newman模型,建立锂离子电池一维充放电过程中非线性、耦合的电化学反应动力学、质量守恒和电荷守恒模型,分析了充放电过程中的各种电池发热机制,模拟了不同充放电速率下的充放电曲线,比较了各种发热机制在不同充放电速率下的大小关系,并将发热机制作为热源,对18650电池和扁平电池在充放电过程中的三维温度场进行了模拟,研究了充放电过程中锂离子电池温度分布和温度的演变过程。同时,根据锂离子电池内部组分在高温下的主要化学反应,建立了锂离子电池在高温滥用过程中的化学热模型,比较和研究了高温环境中不同温度对锂离子电池温度、化学反应的影响,得到了锂离子电池的热效应仿真模拟结果。 综合实验和理论因素,得到了完整的安全性能评价体系,从实验和理论两个角度对锂离子电池的安全性能进行综合评价,不满足任一评价方案的锂离子电池均可能存在结构缺陷,应减少这类产品的使用,避免引起安全事故。整个评价体系提高了检测效率,扩大了检测范围,为锂离子电池安全性能快速检测的实现和广泛应用打下了基础。


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