從2014 EMNT會議探討鋰電池電化學與安全性模擬技術發展現況

 

刊登日期:2015/4/15
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林揚善/工研院材化所

做為電動車和3C商品的動力來源,鋰電池之安全性與性能是決定市場大小之關鍵因素。電化學理論可預測鋰電池之充放電曲線與放電容量衰退比例等效能特性,也可計算出充放電過程產生之熱量以探討溫升狀況。投稿論文並參加 2014年 EMNT會議發現,鋰電池模組安全性與循環壽命預測和電化學阻抗頻譜擬合分析及阻抗計算為現今鋰電池電化學議題發展的主要方向。

藉由建構之 3D鋰電池模組電化學熱傳耦合模擬系統與電化學阻抗頻譜等校電路擬合分析技術,電池模組溫升與循環壽命預測等成果發表於 2014 EMNT研討會;阻抗頻譜等校電路模型擬合分析之成果則發表於 2014年 5月ECS會議。從會議投稿論文中可觀察到,電化學模擬技術之論文篇數較少,與會者對於模擬技術可預測鋰電池模組三維溫度分布、循環壽命和阻抗分析有相當的興趣,未來會繼續建構各種鋰電池模擬系統以便更深入探討鋰電池議題。

前言
根據2011年之黃金十年國家願景內容可知,儲能和智慧電動車是政府重視的發展項目之一。因應發展大型安全動力鋰電池技術,解決電動車儲電系統發展瓶頸,投稿論文並參與國際研討會以便了解電化學領域發展現況,有助於幫助台灣相關產業發展領先之技術。

目前全球生產之動力鋰電池在安全性及性能上尚未發展成熟,電池之狀態檢測技術與相關性質老化特性也處於發展階段,我們若能在安全與效能檢測分析方面有技術突破,並完成創新專利佈局,將有機會在國際上扮演重要腳色。

透過投稿並參加 2014年 11月於日本沖繩舉辦的電化學微奈米技術( EMNT )研討會,發現與會的學者中,除了以各種實驗方法探討電化學相關議題外,鋰電池模擬與計算分析主題即在於我們投稿之電池模組溫升與循環壽命預測和電化學阻抗頻譜分析與計算等兩大方向。與會學者對於我們採用電化學熱傳耦合模擬技術來預測鋰電池模組溫升與循環壽命之論文內容很感興趣,對於電化學阻抗頻譜擬合分析論文也多有討論。

關於鋰電池電化學模擬技術方面,我們建立 3D鋰電池模組電化學熱傳耦合模擬計算系統模型,並建構鋰電池電化學阻抗頻譜等效電路模型擬合技術與相關性質估算方法。透過電化學熱傳耦合模擬技術,不但可預測鋰電池模組安全性設計是否達到需求,同時可預測模組因散熱不佳而造成電池老化較快之結果。透過各種狀態下之鋰電池電化學阻抗等效電路擬合分析結果,不但可得知鋰電池各項性質隨飽電狀態、溫度和充放電次數之變化敏感度等微觀特性,同時可推算放電曲線老化與活化能等巨觀性質與材料參數,對於鋰電池非破壞性檢測議題很有幫助。

鋰電池安全議題,除了模擬分析電池模組放電過程溫升情況外,我們也藉由穿刺模擬來探討電池短路所造成的溫升問題與STOBA效用。此次投稿EMNT研討會的論文中,並無其他篇著作屬於電化學熱傳耦合模擬領域,有幾篇論文是做EIS等效電路擬合分析之領域,由於研究方法相似,本文採用投稿於2014 ECS會議之論文(2)做為介紹EIS擬合分析領域之內容。

電化學領域採用理論模擬作為研究工具之人員仍屬少數,若能整合電化學理論模擬技術和實驗方法,對於鋰電池技術發展將會很有幫助。
鋰電池模組溫升與循環壽命模擬預測。首先,從實驗組取 2並 13串聯共 26 顆 5Ah鋰錳氧電池電池組之放電曲線實驗數據與模組幾何結構,如圖一(a)所示,以建構電化學熱傳耦合模擬系統。模組包含機殼結構、隔熱材 REDDEX(工研院自製)、散熱鰭片和 26顆鋰電池。為了觀察隔熱材效果,電池與電池之前放入黃色的隔板隔熱材料 REEDEX,以及放入鋁金屬之散熱鰭片。為了量測電池組溫度隨時間變化,在部份區域貼上熱耦,如圖一(b)所示,虛線交點為兩並聯電池中間熱耦黏貼的位置,其黏貼位置有在位置 1、2、3、4、8、12、17、18號之處與在位置7、9、11、13號之位置兩種情況。將不會影響到電化學與熱傳模擬結果之鋰電池模組零組件刪除後,建置模擬系統之3D幾何與計算網格
----以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。


圖一、(a)電池模組幾何結構;(b)熱耦黏貼位置

★完整內容請見下方檔案。


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