鋰離子電池殼優(yōu)化分析

毛占穩(wěn)， 劉宇強

(中航鋰電(洛陽)有限公司，河南洛陽471003)

鋰離子電池殼優(yōu)化分析

毛占穩(wěn)， 劉宇強

(中航鋰電(洛陽)有限公司，河南洛陽471003)

針對目前大容量鋰電池所采用的塑料外殼封裝的諸多缺點，研發(fā)了一種塑料-金屬融合電池殼的新型封裝工藝。在有限元分析基礎(chǔ)上，對比了60 Ah大容量鋰電池塑料電池殼與塑料-金屬融合電池殼的兩種分析結(jié)果。結(jié)果表明：采用后者外殼封裝工藝，電池的體積比能量提高了15%，1放電室溫環(huán)境下的溫升降低了2℃。

鋰離子電池；有限元分析；溫度場；體積比能量

國內(nèi)大容量鋰離子電池外殼一般都采取塑料作為外殼材料，單體電池容量一般在60 Ah以上。按照行業(yè)標準，塑料電池殼厚度必須滿足一定要求，以保證電池整體強度，從而不因受到外力而發(fā)生變形或破壞。一般情況下，在進行外殼設(shè)計時會采用加強筋或凸臺結(jié)構(gòu)，但這種設(shè)計會造成電池體積比能量的降低。同時，塑料的導(dǎo)熱系數(shù)比較低，在大電流放電的情況下，電池的熱量增加比較快，由此產(chǎn)生的熱量不易散失，導(dǎo)致電池內(nèi)壓大，容量下降，熱量變化嚴重影響電池的內(nèi)阻，降低電池壽命，嚴重時會損壞電池[1]。

由于金屬的導(dǎo)熱系數(shù)比較大，電池在大電流充放電過程中的熱量比較容易散失到周圍環(huán)境中，所以采用金屬電池外殼可以避免上述弊端。然而，完全采用金屬會造成：電池在長期使用過程中造成電池的鼓脹，電池的鼓脹一方面來自外殼本身的熱鼓脹，另一方面是電芯的鼓脹；鼓脹造成的應(yīng)力不能釋放等缺陷。

在對比塑料及金屬電池殼各自優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，本為研發(fā)了一種塑料與金屬外殼融合的電池殼工藝方法，以增加電池的熱傳導(dǎo)性能，提高電池的體積比能量。

1 鋰離子電池?zé)釘?shù)學(xué)模型的建立

1.1 模型簡化

為了便于模型建立，需要對所設(shè)計的模型做一定的簡化：首先是對電池內(nèi)部對流換熱進行忽略，在分析過程中假設(shè)電池的各性能參數(shù)不隨溫度變化；保證電池內(nèi)部各材料各向同性；對電池內(nèi)部輻射對散熱的影響進行忽略；將熱量的產(chǎn)生式定義為均勻。

1.2 鋰離子電池?zé)崮Ｐ突緮?shù)學(xué)方程

直角坐標系下導(dǎo)熱微分方程的一般形式為[2]：

依據(jù)模型簡化內(nèi)容，根據(jù)直角坐標系下的導(dǎo)熱微分方程建立鋰離子電池的熱數(shù)學(xué)模型：

1.3 邊界條件

初始條件一般可以表示成：

邊界條件由牛頓冷卻定律給出：

2 塑殼電池?zé)醾鲗?dǎo)分析

2.1 單體電池及外殼技術(shù)參數(shù)

以某款方形塑殼電池60 Ah為例，技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 塑殼單體電池技術(shù)參數(shù)

2.2 塑殼電池有限元分析

2.2.1 有限元模型建立

有限元分析步驟為：模型簡化→三維模型的建立→有限元模型的建立→熱傳導(dǎo)分析[3]。依據(jù)有限元分析軟件中的熱力學(xué)分析模塊進行熱傳導(dǎo)分析。條件設(shè)置：模型環(huán)境溫度設(shè)置為室溫20℃，電池放電電流為1。

2.2.2 有限元分析結(jié)果

單體電池外殼及電芯溫度分布結(jié)果如圖1。在室溫敞開環(huán)境下，電池最高溫度出現(xiàn)在極柱和電池中心位置，電池的最高溫度為30.65℃。整體分析，電池外殼表面溫度最大溫差約為10℃，這主要是由于電池塑料外殼熱導(dǎo)率較低造成。

圖1 1放電地面室溫鋰離子電池溫度場分布

3 金屬-塑料融合電池殼有限元分析

3.1 模型簡化

根據(jù)單體電池最大外形尺寸115mm×41mm×245mm和電池殼厚度選取塑料電池外殼厚度值如圖2所示。

圖2 塑料電池外殼厚度值

選取厚度為0.3mm鋁板作為金屬殼電池板材，為保證電池的強度對鋁板進行加強筋和凸起圓點設(shè)計，其中凸起圓點作用為增加電池與外界的接觸面積，提高散熱效果[4]，設(shè)計效果如圖3所示。

圖3 鋁板材設(shè)計效果

在電池寬度方向的兩側(cè)分別貼附鋁板材，使其與塑料融合為一體，以保證單體電池強度。優(yōu)化后單體電池的效果如圖4所示。優(yōu)化后電池殼的質(zhì)量為0.2 kg，外形尺寸為36.5mm× 113mm×245mm。

圖4 單體電池優(yōu)化效果圖

3.2 有限元模型建立與有限元分析結(jié)果

圖5 1放電地面室溫鋰離子電池溫度場分布

有限元模型建立與塑殼電池一致，分析結(jié)果如圖5所示。在室溫敞開環(huán)境下，電池最高溫度出現(xiàn)在極柱和電池中心位置，電池的最高溫度為28.9℃。從整體熱場分析來看，電池外殼表面溫度最大溫差約為9℃，主要是由于電池外殼材料的熱導(dǎo)率較低所造成。因此，為降低外殼溫差，可以考慮采用熱導(dǎo)率更高的不銹鋼外殼。

4 塑料電池殼與金屬-塑料融合電池殼對比分析

塑殼電池與金屬-塑料殼電池有限元分析結(jié)果如表2所示。在室溫敞開環(huán)境下，對60 Ah單體電池進行1大電流放電，由塑料-金屬融合電池殼所封裝優(yōu)化后的電池體積比能量提高了約15%，電池最高溫升降低約2℃，該指標能大幅提高單體電池的壽命及其在成組后電池組的穩(wěn)定性及一致性。

表2 對比結(jié)果

[1]郭炳焜.鋰離子電池[M].湖南：中南大學(xué)出版社，2002.

[2]趙鎮(zhèn)南.傳熱學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2002.

[3]鄧凡平.ANSYS有限元分析自學(xué)手冊[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[4]KAWAMURA T，KMURA A，EGASHIRA M M，et al.Thermal stability of all carbonate mixed-solvent electrolytes for lithium-ion cells[J].J Power Sources，2002，104(2):260-264.

圖5 不同摻雜量下的LiFePO4的交流阻抗譜

3 結(jié)論

參考文獻：

[1]PARK K S，SON J T，CHUNG H T，et al.Surface modification by silver coating for improving electrochemical properties of LiFePO4[J].Solid State Commun，2004，129(5):311-314.

[2]HUANG H，YIN S C，NAZAR L F，et al.Approaching theoretical capacity of LiFePO4at room temperature at high rates[J].Electrochem Solid-State Lett，2001，4(10):A170-172.

[3]ZANE D，CAREWSKA M，SCACCIA S，et al.Factor affecting rate performance of undoped LiFePO4[J].Electrochim Acta，2004，49(25):4259-4271.

[4]WANG G X，BEWLAY S L，KONSTANTINOV K，et al.Physical and electrochemical properties of doped lithium iron phosphate electrodes[J].Electrochim Acta，2004，50:443-447.

[5]CHEN Z H，DAHN J R.Reducing carbon in LiFePO4/C composite electrodes to maximize specific energy，volumetric energy and tap density[J].J Electrochem Soc，2002，149(9):A1184-1189.

[6]倪江鋒，周恒輝，陳繼濤，等.鉻離子摻雜對LiFePO4電化學(xué)性能的影響[J].物理化學(xué)學(xué)報，2004，20(6)：582-586.

[7]CHUNG S Y，BLOKING J T，CHIANG Y M.Electronically conductive phospho-olivines as lithium storage electrodes[J].Nature Materials，2002(1):123-128.

[8]胡成林，代建清，戴永年，等.Ti離子摻雜對LiFePO4材料性能的影響[J].材料導(dǎo)報，2007，2l(7)：147-149.

[9]倪江峰，周恒輝，陳繼濤，等.金屬氧化物摻雜改善LiFePO4電化學(xué)性能[J].無機化學(xué)學(xué)報，2005，21(4)：472-476.

[10]唐致遠，阮艷莉.不同碳源對LiFePO4/C復(fù)合正極材料性能的影響[J].化學(xué)學(xué)報，2005，63(16)：1500-1504.

Optimization analysis of lithium-ion batteries shell

Plastic is generally adopted for the housing material of the large capacity lithium-ion batteries，leading to many disadvantages.A new technology，in which the plastic-metal composite material is used for the battery shell，was developed.Based on finite element analysis，the numerical results of the plastic shell and plastic-metal shell of 60 Ah large capacity lithium-ion batteries were compared.The results show that the energy density per volume of plastic-metal shell battery increases by 15%，while the temperature rising of plastic-metal shell battery reduces by 2℃at the room temperature and 1.

lithium-ion batteries;finite element analysis;temperature field;energy density per volume

TM 912.9

A

1002-087 X(2016)04-0760-03

2015-09-15

毛占穩(wěn)(1981—)，男，河南省人，碩士，主要研究方向為動力電源系統(tǒng)。