基于COMSOL的锂离子电池热失控仿真研究

为研究锂离子电池的热失控机理，减少锂电池的因高温引起的热失控事故，借助COMSOL Multiphysics 6.1软件对三元锂离子电池建立热滥用引起的热失控三维模型，对不同高温环境下的热失控进行数值模拟。通过将电池处于不同加热环境、不同初始温度及不同传热系数等工况下，分析锂电池内部的热失控反应。结果表明：不同环境温度工况下，温度越高，热失控温度峰值越高，出现热失控时刻越早；不同传热系数工况下，传热系数越大，热失控时刻越早，达到峰值后温度下降梯度越大；发现在热失控过程中，相较于正负极材料和电解液，SEI膜的分解更易受环境温度的影响。

锂离子电池由于其高比能量、高比功率、寿命长等显著优势，自问世来已被广泛应用于新能源汽车和储能行业。

新能源汽车的安全事故也随之增加，其中以锂电池为动力源的电动汽车起火事故更为严重， 因此锂电池热失控成为急需解决的重要问题[1]。

锂离子电池工作温度一般在20~40℃之间，锂电池温度过高会对锂电池的寿命造成影响，甚至会引发锂电池热失控。

针对锂离子电池的热失控行为， 国内外学者做了大量的实验和仿真研究[2] [3] [4]。

J. Ye等人[5]开展了绝热环境过充、热诱导和针刺等诱因下的锂电池的热失控研究，揭示了不同滥用条件下热失控过程中的外特性参数变化规律。Mei W 等人[6]通过对锂电池外部加热触发电池热失控开展研究，研究表明当电池温度在70~80℃时， 电解液开始蒸发、SEI 膜尚未出现分解， 锂电池的热失控处于可逆阶段， 且该预警区间不受SOC 的影响，具有普适性。Chiu 等人[7]建立锂离子电池内短路的电化学模型，该模型考虑了电荷和质量转移效应，其中短路锂离子电池热失控行为由多孔电极理论模拟，仿真模型模拟出锂离子电池由针刺造成的内短路发生后温度的变化。Spotnitz 等人[8]通过在热失控模型中加入一些放热反应并计算它们的反应热，并通过与大量实验数据的对比验证了模型的准确性。

锂电池的固体传热系数、电池环境温度以及初始温度大小是锂电池发生热失控的重要因素，目前缺乏锂电池热滥用引起热失控对锂电池内部产热和分解反应的研究。

本文利用COMSOL 软件建立锂电池热失控的三维模型，研究了热滥用条件下不同初始温度和传热系数等因数对锂电池热失控的影响，并分析不同环境温度下锂电池的内部产热及材料分解反应等情况。

2. 锂电池模型的建立 2.1. 几何模型 方形锂离子电池(120 mm × 35 mm × 3.2 mm)，正极活性材料为镍钴锰酸锂、负极活性材料为石墨。

利用COMSOL Multiphysics 6.1 软件，建立三维几何模型，电池几何模型的网格由COMSOL 自备的网格