حسابداری گرما در طراحی باتری های لیتیوم یونی

در عملکرد باتری های لیتیوم یون، مدیریت حرارتی عنصر مهمی است که باید در نظر گرفته شود. از طریق مدل‌سازی و شبیه‌سازی، می‌توانید فرآیند طراحی را با تجزیه و تحلیل نحوه انتقال گرما در منبع انرژی بهبود بخشید.

دلیلی برای نگرانی

در حالی که ممکن است به طور منظم این اصطلاح را بشنوید یا نشنیده باشید، باتری‌های لیتیوم یونی مطمئناً نقش فعالی در برقراری ارتباط شما با دیگران در زندگی روزمره خود دارند. این باتری‌های سبک وزن و قابل شارژ معمولاً در وسایل الکترونیکی مصرفی مختلف از جمله لپ‌تاپ و تلفن‌های همراه استفاده می‌شوند. باتری‌های لیتیوم یون با چگالی انرژی بالایی که دارند حتی برای مقاصد صنعتی و حمل‌ونقل نیز مورد استفاده قرار گرفته‌اند.

باتری لیتیوم یونی از تلفن همراه. (“NOKIA® Battery” توسط Kristoferb – اثر شخصی. دارای مجوز Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 از طریق Wikimedia Commons .)

با افزایش استفاده از این دستگاه ها، نگرانی در مورد ایمنی آنها نیز افزایش می یابد. همانطور که در پست قبلی وبلاگ ذکر شد، سال گذشته یک باتری لیتیوم یونی در یک بوئینگ 787 دریم لاینر جدید بیش از حد گرم شد و آتش گرفت و باعث شد تا تمام هواپیماهای دریم لاینر به طور موقت زمینگیر شوند. سال گذشته، دیزاین نیوز در مورد گرم شدن بیش از حد باتری های لیتیوم یونی در خودروهای میتسوبیشی گزارش داد (داستان آنها را اینجا بخوانید ).

دو عنوان مختلف که یک موضوع مشترک را مطرح می‌کنند – تاثیر گرما بر ایمنی و طول عمر باتری‌های لیتیوم یونی.

چگونه گرما بر باتری های لیتیوم یونی تأثیر می گذارد؟

برای پرداختن به این نگرانی، درک دلیل پشت آن مهم است.

بیایید ابتدا با طراحی باتری شروع کنیم. یک باتری لیتیوم یونی از دو الکترود و یک الکترولیت غیرآبی تشکیل شده است که امکان حرکت یونی را فراهم می کند. در طول شارژ، یون های لیتیوم از کاتد حرکت می کنند تا در الکترولیت جریان پیدا کنند و سپس در ساختار کریستالی یک آند مبتنی بر کربن جذب می شوند. هنگامی که تخلیه می شود، فرآیند معکوس می شود و این یون ها به عقب برمی گردند و در نتیجه جریان الکتریکی معکوس برای تغذیه مدار دستگاه ایجاد می شود.

همانطور که این فرآیند، که شبیه جریان الکتریکی است که از یک سیم عبور می کند، رخ می دهد، مقاومت داخلی در الکترولیت ایجاد می شود تا گرمایش ژول ایجاد شود. در طراحی یک باتری لیتیوم یونی، مهم است که این گرما به اندازه کافی سریع پخش شود تا سلول به دمای کافی برای تجزیه نرسد. همانطور که در این مقاله سفید در مورد مدل‌سازی باتری لیتیوم یونی اشاره شد، واکنش تجزیه گرمازا است، به این معنی که زمانی که این فرآیند شروع شود، دما همچنان به افزایش می‌یابد و واکنش تجزیه را تغذیه می‌کند – پدیده‌ای که به عنوان فرار حرارتی شناخته می‌شود . این انتشار گرما می تواند منبع بالقوه خطر آتش سوزی باشد.

افزایش طراحی باتری لیتیوم یونی از طریق مدل سازی و شبیه سازی

با کمک COMSOL Multiphysics، می توانید توزیع دما را در یک باتری لیتیوم یونی تجسم و درک بهتری داشته باشید. مدل‌سازی حرارتی یک مدل باتری لیتیوم یون استوانه‌ای از ماژول باتری‌ها و سلول‌های سوختی، انتقال حرارت را با شیمی باتری لیتیوم یون و جریان یون‌ها جفت می‌کند. رابط Conjugate Heat Transfer برای بررسی سرمایش هوای این مدل حرارتی سه بعدی باتری لیتیوم یون استفاده می شود.

اجزای مدل حرارتی

مدل زیر دمای باتری و جریان جریان را پس از 1500 ثانیه شارژ نشان می دهد. بالاترین دما در ماده باتری فعال، به سمت انتهایی که عایق حرارتی است، قرار دارد. بنابراین، این ناحیه از سلول بیشتر مستعد پیری و تخریب است.

توزیع دما در باتری لیتیوم یونی

افکار پایانی – نوبت شماست

مدل‌سازی و شبیه‌سازی منابع مفیدی در بهینه‌سازی طراحی باتری‌های لیتیوم یونی هستند. با تجزیه و تحلیل چگونگی انتقال گرما در طول کار باتری، محققان و سازندگان می توانند عملکرد باتری را بهبود بخشند و راه را برای فناوری ایمن تر و ماندگارتر هموار کنند.

فایل های مدل را دانلود کنید و شبیه سازی های خود را اجرا کنید: مدل سازی حرارتی یک باتری لیتیوم یون استوانه ای به صورت سه بعدی