Modellierung und experimentelle Validierung des - KIT
Werbung
06.-08.04.2016, Berlin Modellierung und experimentelle Validierung des thermischen Runaways in zylindrischen Li-Ionen Batterien Andreas Melcher, Carlos Ziebert, Boxia Lei, Wenjiao Zhao, Jing Luo, Magnus Rohde, Hans Jürgen Seifert Schema der thermischen Modellierung eines Thermal Runaway bei Li-Ionen Batterien Betreut vom Simulationsergebnisse: Ofen-Versuch Zell-Zyklierung Mittlere Zelltemperatur • Exothermes Modell Iapp in A/m2 T in K Temperatur Elektrochemisches Offene Frage !!!! Modell Mathematische Beschreibung: Temperatur Wärmequelle Wärmequelle Thermisches Modell Partielle Differentialgleichungen Thermal Runaway t in s Anfangs-Randwert-Probleme T in K Beschreibt Thermal Runaway t in s Gleichungsbasierte thermische Modellierung: Inhomogene Wärmeleitungsgleichung: t in s Klassifizierung des Thermal Runaway Phasenraum Anfangs- und Randbedingungen Simulation eines Ofen-Versuches 𝟐𝟐 dT 2 𝟐𝟐 in K/s dt 𝟐𝟐 U Zellspannung, I Strom, Rin Innenwiderstand der Zelle, Ueq Gleichgewichtsspannung der Zelle (OCV) Simulation einer Zell-Zyklierung 𝟐𝟐 irreversible Wärme: dT in K/s dt � in K T dT 2 𝟐𝟐 in K/s dt Ohmsche Wärme: dT in K/s dt Elektrochemische Wärmequelle aus Newman-, Reduced-Order-oder ECM-Modell reversible Wärme: 𝟐𝟐 � in K T dT 𝟐𝟐 in K/s dt Modellierung der Wärmequellen: Joulesche Wärme: dT 2 𝟐𝟐 in K/s dt ρ Dichte, cp spezifische Wärmekapazität, κ Wärmeleitfähigkeit, Qgen erzeugte Wärme, n Normalenvektor, h Wärmetransferkoeffizient, Tenv Umgebungstemperatur, ε Emissivität der Zelloberfläche, σ Stefan-Boltzmann-Konstante (= 5,670373 · 10−8 W/m2 K4) 𝟐𝟐 Inhomogenität: Wärmequellen dT 2 𝟐𝟐 in K/s dt Strahlung dT in K/s dt Konvektion Exotherme Wärmequelle aus Verbrennungsmodell/Solid-Fuel-Modell • T >T1 : Zersetzung des Solid Electrolyte Interface in einer exothermen Reaktion => QSEI • T > T2 Exotherme Reaktion zwischen den eingelagerten Lithium-Ionen in der negativen Elektrode und dem Elektrolyten => Reduktion des Elektrolyten an der negativen Elektrode =>QNE, • T >T 3: Exotherme Reaktion zwischen aktiven Partikeln an der positiven Elektrode und dem Elektrolyten => Schnelle Sauerstofffreisetzung => QPE • T > T 4: Exotherme Zersetzung des Elektrolyten => QELE dT in K/s dt � in K T � in K T Heat-Wait-Seek Experiment im Accelerating Rate Calorimeter (ARC) ci Li-Ionen-Konzentration, di Diffusionskoeffizient, Ai Frequenzfaktor, Ea,i Aktivierungsenergie, R allgemeine Gaskonstante = 8.314462 J/mol K Simulation einer 18650 Zelle mit einer LiCoO2 Kathode in Comsol Multiphysics: Geometrie: Axial-symmetrisches r Pseudo 2D-Modell Aktives Batteriematerial Mandrel Meshing z Adaptive Triangulation Quadratische BasisFunktionen • Exothermes Modell: Constant Fuel Model • Zeitintegration: BDF 15 • Räumliche Diskretisierung: FEM • Ofen-Versuch • Zell-Zyklierung Simulationsergebnisse: • Temperaturfeld in Zeit und Raum • Mittlere Temperatur der Zelle • Temperaturprofile KIT – Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft dT 2 𝟐𝟐 in K/s dt � in K T 𝟐𝟐 𝟐𝟐 Vereinfachung: Constant Fuel Modell dT in K/s dt + Anfangs- und Randbedingungen dT 2 𝟐𝟐 in K/s dt Verbrennungsmodell/Solid-Fuel-Modell: Allgemeine Formulierung � in K T Klassifizierung: dT in K/s dt
