Modellierung und experimentelle Validierung des ......2 Exotherme Reaktion zwischen den...
Transcript of Modellierung und experimentelle Validierung des ......2 Exotherme Reaktion zwischen den...
KIT – Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft
Modellierung und experimentelle Validierung des thermischen Runaways
in zylindrischen Li-Ionen Batterien
Schema der thermischen Modellierung eines Thermal Runaway bei Li-Ionen Batterien
Andreas Melcher, Carlos Ziebert, Boxia Lei, Wenjiao Zhao, Jing Luo, Magnus Rohde, Hans Jürgen Seifert
Gleichungsbasierte thermische Modellierung:
Klassifizierung des Thermal Runaway
Simulationsergebnisse:
Thermisches Modell
Elektrochemisches Modell
Exothermes Modell
Tem
pera
tur
Wär
meq
uelle
Offene Frage !!!!
Wärm
equelle
Temperatur
Mathematische Beschreibung: • Partielle Differentialgleichungen
Anfangs-Randwert-Probleme
Inhomogene Wärmeleitungsgleichung:
Anfangs- und Randbedingungen
Inhomogenität: Wärmequellen
Modellierung der Wärmequellen:
Beschreibt Thermal Runaway
Elektrochemische Wärmequelle aus Newman-, Reduced-Order-oder ECM-Modell
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
Verbrennungsmodell/Solid-Fuel-Modell: Allgemeine Formulierung
+ Anfangs- und Rand- bedingungen
Simulation einer 18650 Zelle mit einer LiCoO2 Kathode in Comsol Multiphysics:
Geometrie: Axial-symmetrisches Pseudo 2D-Modell
Meshing
Aktives Batteriematerial Mandrel
Adaptive Triangulation
Quadratische Basis- Funktionen
z
r
• Exothermes Modell: Constant Fuel Model • Zeitintegration: BDF 15 • Räumliche Diskretisierung: FEM • Ofen-Versuch • Zell-Zyklierung
Vereinfachung: Constant Fuel Modell
Simulationsergebnisse: • Temperaturfeld in Zeit und Raum • Mittlere Temperatur der Zelle • Temperaturprofile
Mittlere Zelltemperatur Ofen-Versuch Zell-Zyklierung
Simulation eines Ofen-Versuches
Simulation einer Zell-Zyklierung
Heat-Wait-Seek Experiment im Accelerating Rate Calorimeter (ARC)
Phasenraum
Joulesche Wärme:
Ohmsche Wärme:
reversible Wärme:
irreversible Wärme:
Konvektion Strahlung
T in
K
t in s t in s
I app i
n A/
m2
Klassifizierung:
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)
ci Li-Ionen-Konzentration, di Diffusionskoeffizient, Ai Frequenzfaktor, Ea,i Aktivierungsenergie, R allgemeine Gaskonstante = 8.314462 J/mol K
U Zellspannung, I Strom, Rin Innenwiderstand der Zelle, Ueq Gleichgewichtsspannung der Zelle (OCV)
t in s
T in
K
Thermal Runaway
T� in K T� in K
T� in K T� in K
dT dt in
K/s
d𝟐𝟐 Tdt
𝟐𝟐 in
K/s
d𝟐𝟐 Tdt
𝟐𝟐 in
K/s
2 d𝟐𝟐 Tdt
𝟐𝟐 in
K/s
2
dT dt in
K/s
d𝟐𝟐 Tdt
𝟐𝟐 in
K/s
2 d𝟐𝟐 Tdt
𝟐𝟐 in
K/s
2
d𝟐𝟐 Tdt
𝟐𝟐 in
K/s
2
d𝟐𝟐 Tdt
𝟐𝟐 in
K/s
2
dT dt in
K/s
dTdt in K/s
dTdt in K/s
dTdt in K/s
T� in K T� in K
Betreut vom
06.-08.04.2016, Berlin