Pin lithium ion có rất nhiều ưu điểm và hiện được ứng dụng rộng rãi trong lưu trữ năng lượng. Đặc biệt, cấu trúc tế bào giúp pin có thể xếp chồng lên nhau, giúp tăng dung lượng pin và giảm điện trở trong.
Tuy nhiên, phương pháp xếp chồng này có thể dễ dàng dẫn đến sự phân bổ nhiệt độ không đồng đều dọc theo hướng mặt phẳng của pin trong quá trình phóng điện ở tốc độ cao.
Để phân tích vấn đề phân bố nhiệt độ pin không đồng đều, có thể thiết lập mô hình mô phỏng pin chính xác để làm rõ các đặc điểm phân bố trường nhiệt độ, nhằm cung cấp thêm thông tin cho các nhà sản xuất pin về việc tối ưu hóa cấu trúc pin.
1. Mô hình nhiệt
Thử nghiệm trên pin lithium-ion xếp chồng hình vuông. Pin bao gồm 60 cặp điện cực xếp chồng lên nhau, mỗi cặp gồm năm phần: bộ thu dòng điện cực dương, vật liệu hoạt động điện cực dương, vật liệu hoạt động điện cực âm và bộ thu dòng điện cực âm.
Trong quá trình phóng điện, dòng điện chạy qua tai điện cực âm, vào màng ngăn và các điện cực dương và âm, cuối cùng chảy vào tai điện cực dương. Khi đó, các phản ứng hóa học, điện hóa phức tạp cũng như quá trình vận chuyển vật liệu sẽ được quan sát, dẫn đến sự thay đổi trường nhiệt độ bên trong của pin.
Để ứng phó với hiện tượng này, chúng ta thiết lập mô hình ghép nhiệt điện hóa ba chiều bằng cách ghép khối lượng, điện tích, bảo toàn năng lượng và động học điện hóa.
2. Bài thử nghiệm
Trong mô hình phân phối ba chiều, chúng tôi tập trung vào các đặc điểm phân phối bên trong của hệ thống điện hóa, bao gồm phân bố thế năng, phân bố SOC, phân bố mật độ dòng điện và phân bố nồng độ ion lithium.
Do khó khăn trong việc đo lường đặc tính phân bố điện hóa của pin thông qua thực nghiệm nên bài viết này kiểm chứng chúng bằng cách so sánh các đặc tính điện hóa bên ngoài của pin. Nền tảng thử nghiệm chủ yếu bao gồm buồng thử nghiệm nhiệt độ cao và thấp DGBELL, tủ sạc và xả và phần mềm mô phỏng trường đa vật lý.
Trước khi thử nghiệm, bạn hãy sạc đầy pin với dòng điện 1 C và để yên trong 1 giờ. Sau đó, thực hiện xả dòng điện không đổi 1 C và 2 C trên pin và ghi lại sự thay đổi điện áp trong quá trình phóng điện.
Sau khi so sánh kết quả mô phỏng và thử nghiệm thấy giống nhau chứng tỏ độ chính xác của mô hình đã được kiểm chứng.
2.1. Phân bố mật độ dòng điện
Sự phân bố mật độ dòng điện trên bộ thu dòng dương và dòng âm của pin khi kết thúc quá trình phóng điện 2 C. Trong quá trình phóng điện, toàn bộ dòng điện chạy từ mạch ngoài vào tai điện cực âm và phân bố khắp vùng thu dòng điện âm. Khi khoảng cách từ tai điện cực âm tăng lên thì mật độ dòng điện giảm dần. Điều này là do một phần dòng điện chạy vào tai cực vuông góc với hướng của kết cấu bánh sandwich. Dòng điện chạy qua pin được gọi là dòng điện làm việc cục bộ, nó chuyển các điện tích liên quan đến phản ứng điện hóa từ điện cực âm sang điện cực dương. Trong quá trình hoạt động của pin, dòng điện làm việc cục bộ phân bố không đều có thể dẫn đến sạc hoặc xả cục bộ, từ đó ảnh hưởng đến độ an toàn và tuổi thọ của pin. Vì vậy, việc hiểu rõ thông số then chốt này là vô cùng quan trọng.
Trong quá trình phóng điện, mật độ dòng điện phản ứng ở vùng tai cực thay đổi từ giá trị lớn nhất đến giá trị nhỏ nhất. Điều này có thể là do trong quá trình phóng điện, các ion lithium trong chất điện phân ở vùng tai cực gần như cạn kiệt, từ đó làm giảm tốc độ phản ứng điện hóa gần tai cực. Khi kết thúc quá trình phóng điện, mật độ dòng phản ứng của pin có độ dốc đáng kể, điều này có thể là do sự phân cực nồng độ lớn của pin trong giai đoạn phóng điện sau đó, dẫn đến sự phân bố độ dốc đáng kể của mật độ dòng phản ứng. Tuy nhiên, trong quá trình phóng điện, độ dốc của mật độ dòng phản ứng điện cực không đáng kể, cho thấy tốc độ phản ứng điện hóa bên trong điện cực về cơ bản là ổn định.
2.2. Phân phối tiềm năng
Tính đồng nhất của phân bố điện thế ảnh hưởng đến hiệu suất của pin. Điện thế cục bộ cao của pin có thể dẫn đến sự không đồng đều nghiêm trọng về hiệu suất của các tấm pin, làm giảm hiệu suất của pin. Trong quá trình phóng điện 2C, sự phân bố điện thế pha rắn của cực dương và cực âm cho thấy sự tồn tại của sự phân bố gradient điện áp đáng kể trong quá trình phóng điện. Trong quá trình phóng điện, dòng điện chạy vào pin từ điện cực âm và sau đó chảy ra từ điện cực dương. Theo định luật Ohm, điện thế giảm theo chiều dòng điện. Do đó, điện thế cao nhất của cực dương nằm ở tai điện cực âm, trong khi điện thế thấp nhất của cực âm nằm ở tai điện cực dương. Ngoài ra, do sự tích tụ dòng điện chạy vào hoặc ra khỏi pin ở tai điện cực nên sự thay đổi điện thế ở vùng kết nối giữa tai điện cực và tấm điện cực rất không đồng đều và sự phân bố điện thế ở các phần còn lại của pin. tấm điện cực tương đối đồng đều.
2.3. Phân tích đặc tính nhiệt độ
Sự phóng điện của pin lithium-ion là một quá trình dẫn nhiệt nhất thời điển hình, đôi khi thay đổi tùy theo nguồn nhiệt bên trong. Phân bố trường nhiệt độ của pin với độ sâu xả khác nhau trong điều kiện xả 2 C. Trong quá trình xả điện, nhiệt độ của pin liên tục tăng lên. Tuy nhiên, tốc độ tăng nhiệt độ của pin ở các vị trí khác nhau là không giống nhau. Ở giai đoạn đầu phóng điện, tốc độ tăng nhiệt độ ở vùng gần tai cực cao hơn, trong khi tốc độ tăng nhiệt độ ở vùng tai cực thấp hơn.
Khi quá trình phóng điện diễn ra sâu hơn, tốc độ tăng nhiệt độ ra khỏi tai điện cực tăng lên, có thể do sự cạn kiệt các ion lithium ở tai điện cực trong giai đoạn phóng điện sau đó, dẫn đến mật độ dòng phản ứng ở vùng tai điện cực giảm và giảm tốc độ sinh nhiệt Ohmic. Tuy nhiên, ở khu vực dưới cùng của pin, do mức tiêu thụ dòng điện thấp trong giai đoạn đầu phóng ion lithium nên hàm lượng ion lithium tương đối dồi dào trong giai đoạn phóng điện sau và số lượng ion lithium tham gia phản ứng đáng kể. tăng lên, dẫn đến mật độ dòng điện của phản ứng đáy pin tăng lên và tốc độ sinh nhiệt Ohmic ở giai đoạn phóng điện sau này tăng lên. Trong quá trình phóng điện, mật độ dòng phản ứng ở vùng điện cực dương thay đổi từ giá trị lớn nhất đến giá trị nhỏ nhất, càng chứng minh thêm kết quả mô phỏng.
3. Kết luận
Bài báo đề xuất mô hình ghép điện hóa ba chiều bằng cách ghép các phương trình khối lượng, điện tích, năng lượng và động học điện hóa. Bằng cách sử dụng mô hình này, người ta đã nghiên cứu sự phân bố theo không gian và thời gian của các đặc tính nhiệt của pin lithium-ion xếp chồng lên nhau. Các kết luận chính như sau:
(1) Phân tích chính xác sự thay đổi của trường nhiệt độ và đặc tính sinh nhiệt của pin ion tuyết tùng ghép nhiệt ba chiều và điện hóa ba chiều.
(2) Bằng cách thiết lập mô hình ghép nhiệt điện hóa ba chiều, các phương pháp thử nghiệm truyền thống có thể thu được các kết quả khó đạt được, chẳng hạn như phân bố điện thế cục bộ và phân bố mật độ dòng điện của pin
(3) Trong quá trình xả dòng điện không đổi, bên trong pin có sự chênh lệch nhiệt độ đáng kể, đặc biệt là ở vùng chuyển tiếp giữa tai và tấm, nơi mà gradient nhiệt độ thay đổi nhiều nhất.
(4) Tốc độ tăng nhiệt độ của pin ở các vị trí khác nhau trong quá trình xả điện là không giống nhau. Trong giai đoạn đầu phóng điện, tốc độ tăng nhiệt độ ở vùng tai cực là cao nhất, trong khi tốc độ tăng nhiệt độ ở vùng đáy pin cách xa tai cực là tương đối nhỏ. Tuy nhiên, có xu hướng ngày càng tăng ở giai đoạn xả thải sau này. Mô hình nhiệt điện hóa ba chiều được thiết lập trong bài viết này cung cấp một phương pháp hiệu quả để quan sát hoạt động điện hóa và nhiệt bên trong của pin lithium-ion và có triển vọng ứng dụng tốt trong việc hướng dẫn thiết kế tối ưu hóa cấu trúc monome của pin lithium.
