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科研人都在用的鋰電池研究神器——有限元仿真

來源：測試GO 時間：2022-08-10 10:00:14 瀏覽：3651次

鋰電池是采用含有鋰元素的材料或鋰金屬/鋰合金作為電極，使用非水電解質溶液的電池，是現代高性能電池的代表。因其較為優異的安全性、比容量、自放電率和性能價格比等特點，已被廣泛應用于我們的日常生活中。

雖然鋰電池自發明以來已經進行了大規模的商業化生產制造、并在日常產品中投入使用很長時間了，但是仍存在許多問題需要解決，例如電池充放電過程中的枝晶生長、電池組內部溫度積累對電池組的影響等。這些問題無不制約著鋰電池的發展與應用，但我們可以通過采用有限元仿真的方式去模擬整個過程，對模擬結果提出針對性的解決方案來促進研究進展。

【鋰電池內部的枝晶生長】

鋰枝晶是鋰電池在充電過程中鋰離子還原時形成的樹枝狀金屬鋰，但是鋰在負極側出現時鋰的形態不一定是鋰枝晶，統稱為析鋰。

鋰枝晶生長是影響鋰離子電池安全性和穩定性的根本問題之一。鋰枝晶的生長會導致鋰離子電池在循環過程中電極和電解液界面的不穩定，破壞生成的固體電解質界面（SEI）膜，鋰枝晶在生長過程中會不斷消耗電解液并導致金屬鋰的不可逆沉積，形成死鋰造成低庫倫效率；鋰枝晶的形成甚至還會刺穿隔膜導致鋰離子電池內部短接，造成電池的熱失控引發燃燒爆炸。

為了解決枝晶問題，國內外的電池材料研究學者都在尋找著不同的方法，例如在電解液中加入不同的物質改變電解液的化學性能，從而抑制枝晶生長；在電極板上覆蓋一層多孔材料，使得鋰離子可以均勻的沉積。我們可以通過有限元仿真的方法模擬出枝晶生長的過程，探究不同的抑制枝晶生長方法的優勢，從而更直觀的在論文中體現出研究人員付出心血得到的方法對于抑制枝晶生長的作用。

【電池組熱積累的影響】

伴隨著國家節能減排與碳中和政策的推動，電動車的市場占有率越來越高，但是在電動車快速發展的過程中，發生了許多起電動車自燃的事件，其中有造車新勢力的，也有傳統汽車品牌的，這些車有在行駛過程中突然燒起來的，也有在充電過程中突然燃燒的，電動車的自燃引起了一陣恐慌，有不少人擔心自己同型號的家用車會不會也這么燒起來。

目前多數電動車的自燃是由于其電池組內部積熱導致的電池溫度過高引發的自燃。對于車載鋰離子電池組來說，電池內部熱源主要來自反應熱、極化熱和焦耳熱。鋰離子電池組溫度升高的一個重要原因是電池內阻引發的溫度升高。另外，由于發熱電池體的密集擺放，中間區域必然熱量聚集較多，邊緣區域較少則新增了鋰離子電池組中各單體之間的溫度不均衡。

所以我們需要對鋰離子電池進行溫度調節，使其溫度保證在正常工作溫度范圍內。鋰離子電池組溫度調節的方法主要有兩種：1.內部調節、2.外部調節。

我們可以通過有限元仿真的方法，更直觀的展現出電動車搭載電池組的發熱情況，從而對電池組積熱進行進一步研究，保障電池組溫度的可控性，增強電動車的安全性。

鋰離子電池分布在我們生活的每一個角落，其應用領域包括手機、平板電腦、筆記本電腦、智能手表、移動電源（充電寶）、應急電源、剃須刀、電動自行車、電動汽車、電動公交車、旅游觀光車、無人機，以及其他各類電動工具。

鋰電池技術的進步關乎著我們每個人的日常生活，我們相信每一個致力于鋰電的科研人對電池技術的進步都貢獻了自己的力量，而有限元仿真能更直觀的幫助大家解決鋰電池研發過程中的問題，讓鋰電池研發過程降本增效。

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