锂离子电池壳优化分析

毛占稳， 刘宇强

(中航锂电(洛阳)有限公司，河南洛阳471003)

锂离子电池壳优化分析

毛占稳， 刘宇强

(中航锂电(洛阳)有限公司，河南洛阳471003)

针对目前大容量锂电池所采用的塑料外壳封装的诸多缺点，研发了一种塑料-金属融合电池壳的新型封装工艺。在有限元分析基础上，对比了60 Ah大容量锂电池塑料电池壳与塑料-金属融合电池壳的两种分析结果。结果表明：采用后者外壳封装工艺，电池的体积比能量提高了15%，1放电室温环境下的温升降低了2℃。

锂离子电池；有限元分析；温度场；体积比能量

国内大容量锂离子电池外壳一般都采取塑料作为外壳材料，单体电池容量一般在60 Ah以上。按照行业标准，塑料电池壳厚度必须满足一定要求，以保证电池整体强度，从而不因受到外力而发生变形或破坏。一般情况下，在进行外壳设计时会采用加强筋或凸台结构，但这种设计会造成电池体积比能量的降低。同时，塑料的导热系数比较低，在大电流放电的情况下，电池的热量增加比较快，由此产生的热量不易散失，导致电池内压大，容量下降，热量变化严重影响电池的内阻，降低电池寿命，严重时会损坏电池[1]。

由于金属的导热系数比较大，电池在大电流充放电过程中的热量比较容易散失到周围环境中，所以采用金属电池外壳可以避免上述弊端。然而，完全采用金属会造成：电池在长期使用过程中造成电池的鼓胀，电池的鼓胀一方面来自外壳本身的热鼓胀，另一方面是电芯的鼓胀；鼓胀造成的应力不能释放等缺陷。

在对比塑料及金属电池壳各自优缺点的基础上，本为研发了一种塑料与金属外壳融合的电池壳工艺方法，以增加电池的热传导性能，提高电池的体积比能量。

1 锂离子电池热数学模型的建立

1.1 模型简化

为了便于模型建立，需要对所设计的模型做一定的简化：首先是对电池内部对流换热进行忽略，在分析过程中假设电池的各性能参数不随温度变化；保证电池内部各材料各向同性；对电池内部辐射对散热的影响进行忽略；将热量的产生式定义为均匀。

1.2 锂离子电池热模型基本数学方程

直角坐标系下导热微分方程的一般形式为[2]：

依据模型简化内容，根据直角坐标系下的导热微分方程建立锂离子电池的热数学模型：

1.3 边界条件

初始条件一般可以表示成：

边界条件由牛顿冷却定律给出：

2 塑壳电池热传导分析

2.1 单体电池及外壳技术参数

以某款方形塑壳电池60 Ah为例，技术参数如表1所示。

表1 塑壳单体电池技术参数

2.2 塑壳电池有限元分析

2.2.1 有限元模型建立

有限元分析步骤为：模型简化→三维模型的建立→有限元模型的建立→热传导分析[3]。依据有限元分析软件中的热力学分析模块进行热传导分析。条件设置：模型环境温度设置为室温20℃，电池放电电流为1。

2.2.2 有限元分析结果

单体电池外壳及电芯温度分布结果如图1。在室温敞开环境下，电池最高温度出现在极柱和电池中心位置，电池的最高温度为30.65℃。整体分析，电池外壳表面温度最大温差约为10℃，这主要是由于电池塑料外壳热导率较低造成。

图1 1放电地面室温锂离子电池温度场分布

3 金属-塑料融合电池壳有限元分析

3.1 模型简化

根据单体电池最大外形尺寸115mm×41mm×245mm和电池壳厚度选取塑料电池外壳厚度值如图2所示。

图2 塑料电池外壳厚度值

选取厚度为0.3mm铝板作为金属壳电池板材，为保证电池的强度对铝板进行加强筋和凸起圆点设计，其中凸起圆点作用为增加电池与外界的接触面积，提高散热效果[4]，设计效果如图3所示。

图3 铝板材设计效果

在电池宽度方向的两侧分别贴附铝板材，使其与塑料融合为一体，以保证单体电池强度。优化后单体电池的效果如图4所示。优化后电池壳的质量为0.2 kg，外形尺寸为36.5mm× 113mm×245mm。

图4 单体电池优化效果图

3.2 有限元模型建立与有限元分析结果

图5 1放电地面室温锂离子电池温度场分布

有限元模型建立与塑壳电池一致，分析结果如图5所示。在室温敞开环境下，电池最高温度出现在极柱和电池中心位置，电池的最高温度为28.9℃。从整体热场分析来看，电池外壳表面温度最大温差约为9℃，主要是由于电池外壳材料的热导率较低所造成。因此，为降低外壳温差，可以考虑采用热导率更高的不锈钢外壳。

4 塑料电池壳与金属-塑料融合电池壳对比分析

塑壳电池与金属-塑料壳电池有限元分析结果如表2所示。在室温敞开环境下，对60 Ah单体电池进行1大电流放电，由塑料-金属融合电池壳所封装优化后的电池体积比能量提高了约15%，电池最高温升降低约2℃，该指标能大幅提高单体电池的寿命及其在成组后电池组的稳定性及一致性。

表2 对比结果

[1]郭炳焜.锂离子电池[M].湖南：中南大学出版社，2002.

[2]赵镇南.传热学[M].北京：高等教育出版社，2002.

[3]邓凡平.ANSYS有限元分析自学手册[M].北京：人民邮电出版社，2007.

[4]KAWAMURA T，KMURA A，EGASHIRA M M，et al.Thermal stability of all carbonate mixed-solvent electrolytes for lithium-ion cells[J].J Power Sources，2002，104(2):260-264.

图5 不同掺杂量下的LiFePO4的交流阻抗谱

3 结论

参考文献：

[1]PARK K S，SON J T，CHUNG H T，et al.Surface modification by silver coating for improving electrochemical properties of LiFePO4[J].Solid State Commun，2004，129(5):311-314.

[2]HUANG H，YIN S C，NAZAR L F，et al.Approaching theoretical capacity of LiFePO4at room temperature at high rates[J].Electrochem Solid-State Lett，2001，4(10):A170-172.

[3]ZANE D，CAREWSKA M，SCACCIA S，et al.Factor affecting rate performance of undoped LiFePO4[J].Electrochim Acta，2004，49(25):4259-4271.

[4]WANG G X，BEWLAY S L，KONSTANTINOV K，et al.Physical and electrochemical properties of doped lithium iron phosphate electrodes[J].Electrochim Acta，2004，50:443-447.

[5]CHEN Z H，DAHN J R.Reducing carbon in LiFePO4/C composite electrodes to maximize specific energy，volumetric energy and tap density[J].J Electrochem Soc，2002，149(9):A1184-1189.

[6]倪江锋，周恒辉，陈继涛，等.铬离子掺杂对LiFePO4电化学性能的影响[J].物理化学学报，2004，20(6)：582-586.

[7]CHUNG S Y，BLOKING J T，CHIANG Y M.Electronically conductive phospho-olivines as lithium storage electrodes[J].Nature Materials，2002(1):123-128.

[8]胡成林，代建清，戴永年，等.Ti离子掺杂对LiFePO4材料性能的影响[J].材料导报，2007，2l(7)：147-149.

[9]倪江峰，周恒辉，陈继涛，等.金属氧化物掺杂改善LiFePO4电化学性能[J].无机化学学报，2005，21(4)：472-476.

[10]唐致远，阮艳莉.不同碳源对LiFePO4/C复合正极材料性能的影响[J].化学学报，2005，63(16)：1500-1504.

Optimization analysis of lithium-ion batteries shell

Plastic is generally adopted for the housing material of the large capacity lithium-ion batteries，leading to many disadvantages.A new technology，in which the plastic-metal composite material is used for the battery shell，was developed.Based on finite element analysis，the numerical results of the plastic shell and plastic-metal shell of 60 Ah large capacity lithium-ion batteries were compared.The results show that the energy density per volume of plastic-metal shell battery increases by 15%，while the temperature rising of plastic-metal shell battery reduces by 2℃at the room temperature and 1.

lithium-ion batteries;finite element analysis;temperature field;energy density per volume

TM 912.9

A

1002-087 X(2016)04-0760-03

2015-09-15

毛占稳(1981—)，男，河南省人，硕士，主要研究方向为动力电源系统。