(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211232190.0 (22)申请日 2022.08.05 (62)分案原申请数据 20221093870 3.3 2022.08.05 (71)申请人 天目湖先进 储能技术研究院有限公 司 地址 213300 江苏省常州市溧阳市昆仑街 道创智路2 9号228室 (72)发明人 马德正　葛志浩　龚阳　张志超　 (74)专利代理 机构 天津知川知识产权代理事务 所(特殊普通 合伙) 12249 专利代理师 吴珊 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 17/12(2006.01)G06F 119/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 锂电池电化学-热-力-短路-热失控耦合模 型的应用 (57)摘要 本发明提供锂离子电池电化学 ‑热‑力‑短 路‑热失控耦 合模型在： (1)在设计锂离子电池结 构和预测锂离子电池在挤压工况性能中的应用； 以及(2)在开展相同工艺条件下大容量电池挤压 工况性能模拟和预测中的应用。 该模 型能够通过 调整电池尺 寸参数以及容量， 在相同工艺条件下 模拟电池外部和 内部特征在挤压工况下的动态 响应， 显著提升电池状态的预测能力以及电池的 开发效率、 安全性。 权利要求书3页 说明书12页 附图4页 CN 115544838 A 2022.12.30 CN 115544838 A 1.一种锂离子电池电化学 ‑热‑力‑短路‑热失控耦合模型在下述方向之一的应用： (1) 在设计锂离子电池结构和预测锂离子电池在挤压工况性能中的应用； (2)在开展相同工艺 条件下大容量电池挤压 工况性能模拟和预测中的应用； 所述耦合模型由电化学模型、 热模型、 力学模型、 短路模型以及热失控副反应模型耦合 而成； 模型间的耦合关联方式包括： 所述力学模型的应力/应变参数与短路模型的 电导率关 联， 所述短路模型 的短路内阻与电化学模型 的边界条件关联， 所述电化学模型 的电池电压 与短路模型的边界条件关联， 所述热模型的温度分别与电化学模型和热失控副反应模型的 温度关联， 所述短路模型的内短路产热、 电化学模型的电化学极化热、 可逆熵热和欧姆热、 以及热失控 模型的副反应产热分别与热模型中的对应产热项关联。 2.根据权利要求1所述的应用， 其特征在于， 所述电化学模型用于求解电池内固/液相 中的电势、 Li+浓度以及副反应物质的浓度分布和变化， 以及求解电池各产热组分的大小； 所述热模型用于模拟电池内温度分布和变化； 所述力学模型用于模拟电池在机械载荷作用 下的应力和应变的分布和变化； 所述短路模型用于实现对内短路大小、 位置和产热的预测； 所述热失控副反应模型用于求 解各副反应物质的浓度和产热情况。 3.根据权利要求1所述的应用， 其特征在于， 所述电化学模型由电化学方程组和电化学 产热方程组组成； 所述电化学方程组包含固相质量守恒方程、 液相质量守恒方程、 固相电荷 守恒方程、 液相电荷守恒方程以及电极反应动力学方程中的一种或多种； 所述电化学产热 方程组包 含欧姆热 方程、 可逆熵热 方程、 电化学极化热 方程中的一种或多种； 所述热模型由能量守恒方程构成， 所述能量守恒方程包含传热项、 产 热项以及散热项； 所述传热项用于描述电池内部温度梯度导致的热量传递现象； 所述产热项包括的热源有电 化学极化热、 可逆熵热、 欧姆热、 内短路热以及热失控副反应热； 所述产热项热源均由其它 物理模型通过参数实时传递的方式传递至热模型中； 所述散热项由对流传热和辐射传热组 成， 用于描述电池与环境间的对流和 辐射传热导 致的热交换； 所述力学模型由几何方程、 物理方程、 平衡微分程构成； 所述短路模型为基于欧姆定律所构建； 将电池组件的 电导率定义为与应变/应力相关 的函数关系式； 所述应变/应力为按照参数传递的方式由力学模型实时传递至短路模型 的 数值； 所述短路模型遵循欧姆定律； 所述热失控副反应模型为包含物质守恒方程、 能量守恒方程以及阿伦尼乌斯方程中的 一种或多种； 所述副反应包括SEI分解反应、 嵌锂石墨与电解液反应、 嵌锂石墨和粘结剂反 应、 正极和负极反应、 正极和粘结剂反应以及正极 分解反应中的一种或多种。 4.根据权利要求1所述的应用， 其特 征在于， 具体的应用方法包括下述 步骤： S1.对样品进行电化学测试、 热测试和力学测试， 获取相关物化参数； 包括几何参数、 电 化学相关参数、 热 学相关参数以及力学相关参数； S2.使用有限元软件分别建立电化学模型、 热模型、 力学模型、 短路模型以及热失控副 反应模型， 搭建锂离子电池电化学 ‑热‑力‑短路‑热失控耦合模型， 并将步骤S1中所得相关 参数赋予所建模型中； S3.根据锂离子电池实际仿真需求， 设置各物 理模型的边界条件和初始条件， 并划分网 格；权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115544838 A 2S4.对样品进行测试以获取电池电、 热以及力等测试数据， 基于所测数据对所述耦合模 型开展校准与精度验证， 获得锂离 子电池电化学 ‑热‑力‑短路‑热失控耦合模型； S5.调整电池尺寸参数以及容量， 开展相同工艺条件下电池挤压工况下的模拟和/或预 测， 具体的模拟和 /或预测内容包括： (1)预测锂离子电池在挤压工况下的性能， (2)预测锂 离子电池在挤压 工况下的安全电池结构， (3)预测锂离 子电池的安全极限容 量。 5.根据权利要求4所述的应用， 其特征在于， 步骤S1所述样品包括电池样品、 电极样品 和材料样品； 所述材料样品包括正极材料、 负极材料和隔膜材料； 其中， 所述正极材料选自 镍钴锰三元材料、 磷酸铁锂、 钴酸锂、 镍酸锂、 锰酸锂和磷酸锰锂中的至少一种； 所述负极材 料选自人造石墨、 天然石墨、 中间相碳微球、 硅、 氧化亚硅和钛酸锂中的至少一种； 所述电极 样品为采用包括正极材料/负极材料在内的原料制备正/负极涂层、 并与正/负极集流体一 起制成的正/负极电池极片， 电池样品为采用包括隔膜材料在内的原料制成的隔膜、 与所述 电极样品一 起制成的电池。 6.根据权利要求4所述的应用， 其特征在于， 步骤S1所述的几何参数包括电池极片的长 度和宽度、 电池集流体的长度和宽度、 电池极耳 的位置参数、 电池极片的厚度、 电池极片的 数量以及电池的长度、 宽度和高度中的一种或多种； 步骤S1所述的电化学相关参数包括测试样品的固相材料电子电导率、 锂离子初始浓 度、 固相体积分数、 液相体积分数、 固相材料粒子 半径、 液相材料有效电导率、 电解液初始锂 浓度、 电化学反应速率常数、 电荷传递系数、 固相锂离子扩散系数和液相锂离子扩散系数中 的一种或多种； 步骤S1所述的热学相关参数包括测试样品的质量、 密度、 比热容、 热导率、 热分解温度 中的一种或多种； 步骤S1所述的力学相关参数包括锂离子电池内部材料的压缩模量、 泊松比中的一种或 多种。 7.根据权利要求 4所述的应用， 其特 征在于， 步骤S2所述耦合模型的耦合方式如下： a)所述力学模型的输入为包含机械作用影响的初始条件和边界条件， 所述力学模型的 输出为电池内部的应力/应 变随时间和空间的变化； b)所述短路模型的输入包括所述力学模型输出的应力 /应变随时间和空间的变化以及 电化学模型所得电池电压的变化， 所述短路模型 的输出包括电池短路内阻的大小、 短路位 置和内短路产热的变化； c)所述电化学模型的输入包括所述短路模型所得电池短路内阻大小以及所述热模型 所得温度变化， 所述电化学模型 的输出包括电池电压的变化和电池电化学产热， 包括欧姆 热、 极化热和可逆熵热； d)所述热模型的输入包括所述电化学模型所得电化学产热、 所述短路模型所得内短路 产热以及所述热失控副反应模型所得副反应产热， 所述热模型的输出为电池温度随时间和 空间的变化； e)所述热失控副反应模型的输入为所述热模型所得电池温度的变化， 所述热失控副反 应模型的输出为各副反应产热。 8.根据权利要求4所述的应用， 其特征在于， 所述力学模型输入的初始条件和边界条件 包括： 压头下压速度， 将压头与电池之 间的接触界面设置为接触边界条件， 电池底面设置为权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115544838 A 3