锂离子电池热应力分析及厚度变化的研究

【摘要】锂离子电池已经成为发展电动汽车的关键。锂离子电池在充放电过程中伴随着电极材料的脱嵌锂和温度升高,从而引起电池厚度的变化和热应力的产生。一方面厚度和应力的改变可能引起电池性能的变化,对电池的寿命和可靠性造成不利的影响。另一方面也制约了电池的成组设计。因此研究锂离子电池厚度变化和热应力分布特征既可以提高对电池性能变化规律的认识,也可以为电池成组设计提供依据,具有重要的科学意义和实用价值。本论文根据锂离子电池结构特点将其简化成具有储能功能的叠层材料,采用叠层材料细观力学模型和有效热膨胀理论计算得到相关力学参数。然后依据热平衡方程和传热边界条件,通过理论计算得到了锂离子电池稳态温度场方程。最后根据稳态温度场方程和阻止应变法计算得到电池的热应力方程,并使用ANSYS模拟了在常规使用条件下锂离子电池的稳态温度场和热应力场。论文最后使用线性位移传感器原位测量了锂离子电池充放电过程中厚度的变化,分析其变化规律和影响电池厚度变化的因素,并推导了锂离子电池厚度变化与SOC的关系。主要结论有：(1)方形锂离子电池稳态温度场为椭球方程,等温面为椭球面。电池几何中心位置温度最高,最高温度与对流换热系数呈反相关、与生热速率呈线性相关。最大温差与电池的生热速率和电池尺寸的平方成正比。当生热速率Q=8500W/m3,环境温度为20℃时,电池中心最高温度为23.4℃,最大温差为0.6℃。(2)锂离子电池热应力分布不均匀,电池中心高温区域热膨胀受到抑制承受压应力,侧边低温区域受拉应力,侧边中心处出现热应力集中。沿x方向最大压应力为15.0KPa,最大拉应力为31.4KPa,最大拉应力约为最大压应力的两倍。vonmiss应力最大为29.7KPa,最小为0.56KPa。剪切应力在对称面上近似为零,在长度和宽度的2/3处出现极小值,为-5.4KPa。(3)软包装锂离子电池在充放电过程中厚度的变化与SOC状态、电池初始厚度、电极材料的种类和配比、充放电制度、温升等因素有关。1/3C、1/2C和1.0C循环时电池厚度变化规律相似,变化的幅度分别为0.061mm、0.061mm和0.069mm,充电时电池厚度变厚,放电时厚度减小,厚度变化可逆。充电时SOC从0%增加到40%时电池厚度增加了0.040-0.050mm,占总变化量的70-80%,SOC在50%附近电池厚度基本保持不变。放电电流大于1.0C时,电池的温升较大,电池厚度因温升引起的变化也较大。放电电流为2.0C时电池表面温升达到9.2℃,引起电池厚度的变化为0.013mm,计算得电池沿厚度方向的热膨胀系数为1.9×10-4/℃。
【作者】史启通；
【导师】卢世刚；
【作者基本信息】北京有色金属研究总院，有色金属冶金，2014，硕士
【关键词】锂离子电池；热应力；电极层膨胀；电池厚度；厚度变化；

【参考文献】
[1]郑承民.高次奇点的定性分析与指数计算[D].新疆师范大学,基础数学,2004,硕士.
[2]曲彦臻.纳米晶TiO_2复合薄膜的光催化性能研究[D].济南大学,物理化学,2012,硕士.
[3]李力洋.试论西方文化渗透及应对策略[D].吉林大学,国际政治,2004,硕士.
[4]武震.优化三角帆蚌养殖模式的生态学研究[D].上海海洋大学,水生生物学,2013,硕士.
[5]张曼晨,张红星,陈兰,陈叶.掺杂壳聚糖复合材料的制备及用途[J].广州化工,2014,23:20-21+32.
[6]梁瑾.二芳基芴衍生物的纳米形貌调控及有机半导体器件[D].南京邮电大学,2014.
[7]周兆兵.木工刀具快速液压装夹系统的研究[D].南京林业大学,木材科学与技术,2004,硕士.
[8]李星.基于复杂网络的症状基因预测方法研究[D].北京交通大学,2014.
[9]王芳玲.大鼠急性肠粘膜损伤模型敏化点体表分布及敏化点局部CGRP、肥大细胞的变化[D].福建中医药大学,针灸推拿学,2014,硕士.
[10]李晗.北京市旭日星空羽毛球俱乐部的运营管理研究[D].北京体育大学,体育人文社会学,2013,硕士.
[11]张敬奇.花后开放式增温对水稻产量与品质的影响研究[D].南京农业大学,作物栽培学与耕作学,2012,硕士.
[12]詹凌君.国税系统公务员培训体系的研究[D].华中师范大学,公共管理,2012,硕士.
[13]谢娟.黄斑水肿的光学相干断层扫描分析[D].山西医科大学,眼科学,2002,硕士.
[14]潘一力.混合吸收剂膜法分离CO_2特性的试验研究[D].浙江大学,热能工程,2013,硕士.
[15]关叶青,刘思峰.基于不动点的强化缓冲算子序列及其应用[J].控制与决策,2007,10:1189-1192.
[16]王冠三.1HJ、1HJ_b系列机械滑台(普通级、精密级)[J].组合机床与自动化加工技术.1987(07)
[17]李芹.MALDI-TOF-MS分析鸡群体遗传特性及雪山鸡肉质SNPs位点筛选[D].扬州大学,动物遗传育种与繁殖,2012,硕士.
[18]何军娜.苯妥英钠及七十味珍珠丸对大鼠肝细胞凋亡的影响[D].河北医科大学,神经病学（专业学位）,2013,硕士.
[19]沙迪.新型双轴手性磷酰亚胺催化烯胺的不对称自偶联反应及吲哚的不对称傅克反应的研究[D].吉林大学,有机化学,2014,硕士.
[20]丁超.新型玻璃离子促脱矿釉质再矿化的体外研究[D].吉林大学,口腔医学,2013,硕士.
[21]胡寅亮.模具CAD系统中优化排样技术的研究与实现[D].南京航空航天大学,航空宇航制造工程,2004,硕士.
[22]许忠源,徐长节,陈冉,蔡袁强.涌潮冲击排桩式丁坝的三维数值模拟[J].浙江大学学报(工学版),2014,03:504-513.
[23]李中男.基于Android系统的一机双号拨号软件的设计与实现[D].北京交通大学,2014.
[24]梅露露.贵州苗药头花蓼rbcL/rDNA ITS序列测定及特征性成分（没食子酸）含量分析[D].遵义医学院,生物化学与分子生物学,2012,硕士.
[25]殷继昌.当代世界采矿安全先进科学技术——参加第22届国际采矿安全会议见闻[J].河北煤炭.1988(01)
[26]陈龙芳.城市社区中年女性贫困治理研究[D].福建师范大学,社会学,2013,硕士.
[27]张莉.大学生对婚礼仪式态度的性别差异[D].河北师范大学,应用心理学,2013,硕士.
[28]刘宪民,花峰,刘蕤,郝锡秀.热处理对30CrMnSiNi2A钢力学性能的影响[J].钢铁.2003(01)
[29]于洋.珠三角地区农产品物流园区选址布局研究[D].大连海事大学,物流工程,2014,硕士.
[30]唐春.基于纳米金颗粒/石墨烯/聚苯胺的DNA电化学生物传感器[D].南京理工大学,2012.
[31]胡建.中小型企业中组织传播与员工激励间关系的研究[D].江西师范大学,2005.
[32]魏健.小波人工神经网络在建筑沉降预测中的应用研究[D].北京交通大学,摄影测量与遥感,2013,硕士.
[33]丛昕.企业并购融资问题研究[D].东北财经大学,会计学,2003,硕士.
[34]马梦月.品牌关系对品牌联合评价的影响研究[D].燕山大学,管理科学与工程,2013,硕士.
[35]张影.培养高中生数学直观能力的教学策略探讨[D].辽宁师范大学,学科教学（专业学位）,2012,硕士.
[36]李骞.CT增强及容积灌注成像在兔肝VX2肿瘤射频消融早期评价中的应用研究[D].华中科技大学,影像医学与核医学,2013,硕士.
[37]李卫卫.媒介素养：农民工使用手机情况的调查和分析[D].辽宁大学,传播学,2012,硕士.
[38]冯超,莫尊理,缑浩,张春.氧化石墨烯表面生长铕配合物纳米晶及其荧光性能研究(英文)[J].无机化学学报,2014,03:677-682.
[39]牛泓博.辽宁沿海蛤仔群体种质资源调查研究[D].大连海洋大学,海洋生物学,2014,硕士.
[40]朱静.长三角预防兽医学博士论坛2014集锦[J].中国家禽,2014,12:34-40.
[41]束洪春,张加贝.水机电耦合系统建模及暂态分析[J].电力系统自动化,2008,13:26-30.
[42]颜冰清.80后群体“宅”现象的社会工作介入研究[D].华中师范大学,社会工作,2014,硕士.
[43]张娣.肝移植患者PICC置管后渗血、静脉炎的相关因素研究[D].辽宁医学院,护理学,2012,硕士.
[44]戈曼.SAMHD1单克隆抗体的制备及其初步应用[D].东北农业大学,预防兽医学,2013,硕士.
[45]何衡杰,郝丽.肿瘤坏死因子α在超重者脂肪组织中的表达[J].中国卫生产业,2014,23:13-14+17.
[46]刘雷健,杨静宇,曹雨龙,邬永革,汪华峰.肺癌细胞识别彩色图像处理系统[J].自动化学报,1996,03:382-384.
[47]张希平.BJ净水机公司洛阳市场营销策略[D].河南科技大学,工商管理（专业学位）,2014,硕士.
[48]皮振宇.大通湖电力公司企业文化建设研究[D].长沙理工大学,企业管理（专业学位）,2012,硕士.
[49]江楠.企业间借款行为合法性的分析与完善[D].华东政法大学,民商法,2012,硕士.
[50]占天刚.生物造粒流化床技术处理城市污水试验研究[D].西安建筑科技大学,环境工程,2004,硕士.