如何模擬鋰離子電池的短路

電池短路是一個糟糕的故障：電池中儲存的化學能會以熱能的形式損失掉，而無法為設備所用。同時，短路還會造成嚴重發熱，這不僅會降低電池材料的性能，甚至還可能因為觸發熱失控而釀成火災或者爆炸。為了消除設備中可能造成短路的潛在條件，並確保短路不會引起危險的工作狀態，我們可以藉助 COMSOL Multiphysics? 對鋰離子電池的設計進行研究。

電池短路是如何發生的？

電池可將儲存的化學能轉換為電能。正常工作時，電池的兩個電極會發生電化學反應：陰極發生還原反應，陽極發生氧化反應。在放電過程中，正極為陰極，而負極為陽極；而在充電過程中，兩極的角色互換，即正極為陽極，而負極為陰極。

一個電極將電子釋放到電路中，同時另一個電極從電路中獲取電子。正是這一整體的有利化學反應驅動了電路中的電流，所以諸如電機或燈泡的任意裝置接入電池後，可從電池中獲取能量。

燈泡由電池進行供電。

所謂短路，即電子未流經與用電設備連接的電路，而直接在兩個電極間流動。由於這些電子無需做進行任何機械功，因此電阻非常小。造成的結果是，化學反應加速，電池開始自放電，沒有做任何有用功便失去了化學能。短路時超強的電流會導致電池電阻發熱（焦耳熱），這很有可能損壞設備。

電池中的機械損傷是造成短路的原因之一。如果一個金屬異物刺穿電池組，或者電池組因受到擠壓而損壞，這便會形成一條內部傳導路徑從而造成短路。「針刺測試」是針對鋰離子電池的一個標準安全測試，在測試過程中會用鋼針刺穿電池使其產生短路。

電池通過測試的條件為：電池在短路狀態下放電時，內電流引起的發熱不會造成起火或爆炸。在鋼針中，電流從正極流向負極，而多孔電解質及電解質（隔膜）中的電流從負極流向正極。鋼針傳導電流時，實際上相當於一個負載非常小的外部電路，而鋼針周圍的區域進行與放電類似的過程（請參考博客文章《電池內的電流會倒流嗎？》中的圖 5）。

鋼針刺穿電池試驗的示意圖。放大後的橫截面顯示了鋼針與電極之間的接觸面和電流方向。

電池自身的化學性質也可能造成內部短路。對於鋰離子電池來說，最常見的機制之一就是因鋰鹽的沉積而導致形成了樹枝狀的金屬鋰。雖然鋰原子通常能安全地嵌入電極材料，但還是會形成遊離態的金屬鋰。同大多數金屬一樣，鋰的電導率比電池中氧化物材料和電解質要高很多，這就產生了一個問題：當金屬鋰在電池內的生長到達一定程度後，可能將兩個電極連接起來，在它們之間形成一條導電性極佳的傳導通路，並由此造成短路。

接下來，我們一起看一看如何使用 COMSOL Multiphysics 模擬鋰離子電池中的短路現象。

模擬鋰離子電池中典型的短路現象

鋰離子電池的內部短路教學模型通過 COMSOL Multiphysics 對與內部短路現象相關的電流和局部加熱進行了預測。短路是由連接正極和負極材料的微米級鋰絲引起的。請注意，鋰絲僅與正負極相連接，不會像上文的鋼針一樣刺穿電池。在該案例中，所預測的短路電流與總電池容量相比較為適中，因此局部短路不會對電池的工作電壓產生顯著干擾。

在此模型案例中，我們使用了熟悉的 Newman 模型（請參閱模型文檔的參考文獻）對鋰離子電池的化學性質進行探討。首先，打開「電池與燃料電池模塊」中預置的鋰離子電池 介面，在該介面中，我們可以利用這個理論模型來分析濃縮的鋰離子電解質溶液中電荷轉移與質量傳遞的疊加效應，以及固體電極材料與集流體中的電流。我們使用電極材料粒子表面的鋰離子插入動力學來描述電池反應，同時利用擴散模型來研究電極粒子中的固體鋰。點擊鏈接，閱讀更多有關 Newman 模型及其擴展應用的博客文章。

接下來，我們使用了「電極」域特徵來描述集流體等傳統的金屬導體。該特徵還可用於描述像鋰絲這樣會造成短路的金屬區域。現在我們繼續討論電池模型，其中鋰的電導率約為 107 S/m。儘管這個值略小於鋁或銅，但仍然比鋰電極材料（100 S/m）及鋰電解質（< 1 S/m）的常規電導率高出了幾個數量級。

隨後，我們計算了電池熱源，並將其與可求解傳熱方程的固體傳熱 分析相互耦合，這樣就可以預測電池溫度。接下來，為了直接加入這一耦合，我們添加一個預置的電化學熱源 多物理場特徵。集流體可以看作熱容量很大的高性能散熱器，提供了一個可驅散因短路產生的熱量的渠道。反過來，電極動力學與材料屬性也會隨著電池內每一點上計算得出的溫度變化而變化。

分析結果

下圖中使用了 Aurora Borealis 顏色表來對短路現象發生 0.01 秒後的局部電極充電狀態進行展示。由於電池會自放電，負極中可用的鋰幾乎耗盡（在色條中接近 0），而這些鋰全部富集在了正極（在色條中接近 1）。正是這一原因造成了容量損耗，使電池無法達到預期的能量容量。圖中還顯示了鋰絲的電勢（彩虹色表中紅色表示高值，藍色表示低值），以及多孔電解質和電解質隔膜中的電流密度（白色箭頭）。電解質電勢以等勢面（彩虹色表）的形式進行顯示，電流密度箭頭垂直於電解質中各處的等勢線。除了鋰絲不會刺穿電極之外，此案例中涉及的過程和現象與上文的鋼針示例幾乎相同：鋰絲與電極表面之間形成電接觸，且不會在電極中穿孔。

自放電 0.01秒後鋰離子電池中電極粒子表面的局部充電狀態。由於內部短路，電荷在負極（底部）損耗並在正極（頂部）富集。

隨後，我們繪製了電池橫截面的溫度圖（如下圖所示）。短路引起了電流密度的增大，進而使電阻更加劇烈地發熱，鋰絲的溫度由此升高到了近 60°C。由於電池溶劑具有揮發性，所以如果鋰絲溫度過高，電池內壓會隨之增加，最終會造成破裂。同時電池溶劑為易燃物，電池的破裂很可能發展為爆炸。不過，EC/DMC 電池溶劑的沸點高於 100°C，因此在上述工作條件下電池內壓處於安全水平。

內部短路情況下鋰離子電池的橫截面溫度。短路電流通過時，電池溫度升高，直到接近鋰絲的溫度。

下圖顯示了兩根粗細不同的鋰絲所對應的最高電池溫度的溫度瞬變曲線。在兩種情況中，電池都依靠集流體散發多餘的熱量，從而使峰值溫度迅速達到漸近值。如果鋰含量較高，最高溫度也會略微偏高。這是因為圍繞鋰絲的電極材料的散熱效果大致相同，由於較粗的鋰絲可以承受更大量級的短路電流，所以其溫度更高。

短路自放電 0.1 秒後，1 μm和 5 μm 的鋰絲對應的最高電池溫度。

在常見儲能裝置的運輸和使用過程中，一個主要的安全風險是由鋰離子電池的短路和熱失控而引發的火災。通過模擬短路的情況，我們可以開發具體的電池設計，將短路帶來的風險減小到最低。在 COMSOL Multiphysics 中將詳細的電化學模型與傳熱分析結合，我們便可以對短路過程進行研究，並更加詳細深入地了解電池性能，進而更為有效地預防故障及優化設備的安全性。

下載教學模型

更多有關在 COMSOL Multiphysics? 中模擬電池的資源

• 在「COMSOL 博客」中閱讀有關電池和燃料電池建模的不同應用。
• 如希望獲取更多關於鋰離子電池建模的知識，請參閱 J. Newman and K. E. Thomas-Alyea, Electrochemical Systems 3rd Edition, Wiley, 2004。

經授權轉載自 http://cn.comsol.com/blogs/，原作者 Edmund Dickinson。