摘要：锂离子电池过充时,负极超过最大嵌锂浓度会发生表面析锂,而正极则处于贫锂状态导致颗粒内部应力升高,从而引发严重的寿命和安全问题.本文基于单层电芯颗粒尺度,建立了镍钴锰正极和石墨负极颗粒尺度下的三维电化学-力-热耦合过充模型,能够准确地反映充电过程中析锂和应力-应变规律.基于此,分析了充电倍率和负极颗粒半径设计参数对负极表面析锂的影响.结果表明:高倍率下析锂的触发电压较低,而低倍率下由于极化和温度较低的影响,过充至4.8 V时析锂浓度较高;相较于大粒径颗粒,小颗粒表面呈现最大锂离子浓度高、析锂过电位低、平均冯·米塞斯应力大,更容易发生析锂.在应力方面,探究了正极颗粒空间分布和热效应的影响,定义了接触深度因子J_(r),发现颗粒的接触深度与接触界面区域的应力成反比关系;而且,随着充电倍率增大,温度相关电化学参数显著变化,在计算颗粒层面应力时不能忽略.相关结果可为优化电池设计和充电管理策略提供理论依据和指导.

摘要：锂离子电池内短路诱因复杂,为深入研究内短路引起的电池失效问题须构建合适的精细化仿真模型。本工作以NCM/石墨电池为研究对象,围绕电池内短路失效机理,基于电化学-热耦合物理场,建立了考虑热失控放热副反应的三维单层电芯内短路模型,探究了热失控触发边界,并从内外部特征讨论了单层电芯内短路-热失控的演变过程。首先利用Arrhenius公式得到内短路触发的四种放热副反应产热量与反应速率,探究对电池温升影响最大的副反应类别,结果表明内短路过程放热副反应中负极与电解液反应总热量最大。进一步分析单层电芯内四种典型内短路形式的热失控触发特性,综合考虑组分材料导电性和导热性,得到铝-阳极内短路危险程度最高,其短路电阻值与热失控触发时间呈现正相关趋势,且临界短路电阻的高温热点区域面积值约为30 mm^(2)。模拟结果获得了四种形式内短路临界短路电阻值,并揭示了单层电芯内短路-热失控触发时内部锂离子浓度和温度分布的空间演变规律,相关结果可为研究内短路失效机制和设计安全锂离子电池提供理论指导。