鋰離子電池殼優化分析

毛占穩， 劉宇強

(中航鋰電(洛陽)有限公司，河南洛陽471003)

鋰離子電池殼優化分析

毛占穩， 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果。結果表明：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生變形或破壞。一般情況下，在進行外殼設計時會采用加強筋或凸臺結構，但這種設計會造成電池體積比能量的降低。同時，塑料的導熱系數比較低，在大電流放電的情況下，電池的熱量增加比較快，由此產生的熱量不易散失，導致電池內壓大，容量下降，熱量變化嚴重影響電池的內阻，降低電池壽命，嚴重時會損壞電池[1]。

由于金屬的導熱系數比較大，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；鼓脹造成的應力不能釋放等缺陷。

在對比塑料及金屬電池殼各自優缺點的基礎上，本為研發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性能，提高電池的體積比能量。

1 鋰離子電池熱數學模型的建立

1.1 模型簡化

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

1.2 鋰離子電池熱模型基本數學方程

直角坐標系下導熱微分方程的一般形式為[2]：

依據模型簡化內容，根據直角坐標系下的導熱微分方程建立鋰離子電池的熱數學模型：

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 塑殼電池熱傳導分析

2.1 單體電池及外殼技術參數

以某款方形塑殼電池60 Ah為例，技術參數如表1所示。

表1 塑殼單體電池技術參數

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→熱傳導分析[3]。依據有限元分析軟件中的熱力學分析模塊進行熱傳導分析。條件設置：模型環境溫度設置為室溫20℃，電池放電電流為1。

2.2.2 有限元分析結果

單體電池外殼及電芯溫度分布結果如圖1。在室溫敞開環境下，電池最高溫度出現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]，設計效果如圖3所示。

圖3 鋁板材設計效果

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

圖4 單體電池優化效果圖

3.2 有限元模型建立與有限元分析結果

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，分析結果如圖5所示。在室溫敞開環境下，電池最高溫度出現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率較低所造成。因此，為降低外殼溫差，可以考慮采用熱導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果如表2所示。在室溫敞開環境下，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定性及一致性。

表2 對比結果

[1]郭炳焜.鋰離子電池[M].湖南：中南大學出版社，2002.

[2]趙鎮南.傳熱學[M].北京：高等教育出版社，2002.

[3]鄧凡平.ANSYS有限元分析自學手冊[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.

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

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

[10]唐致遠，阮艷莉.不同碳源對LiFePO4/C復合正極材料性能的影響[J].化學學報，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(1981—)，男，河南省人，碩士，主要研究方向為動力電源系統。