论文总字数：35228字

摘 要

本文在简要介绍了与锂离子电池相关的研究背景、意义、内容、方法和现状后，细致描述了锂离子电池的构造、运行的原理以及电池相关组成材料的发展概况。在对电池组成材料进行了大体的描述后，又特别以电解液和电解液添加剂为重点进行了阐述。然后通过总结锂离子电池火灾爆炸事故和分析典型事故案例，研究了锂离子电池的热失控机理和涉及的相关反应。在仿真阶段，我主要以电池热模型（包括锂离子单体电池的模型，和电池模块的模型）为基石，借助Comsol Multiphysics软件仿真研究其在特定工作电流及换热系数下的热效应和温度分布。最后总结性地提出了锂离子电池的安全性设计方法和安全使用的一些注意点。

关键词：锂离子电池 电解液 典型事故 热失控 Comsol Multiphysics

Study on the safety of Li ion battery based on accidents and COMSOL simulation

Abstract

First, the development background, the significance, the content and the research method of lithium ion batteries are briefly introduced in this paper. The composition, working mechanisim and the development of battery materials are discussed, especially the details of electrolytes and electrolyte additives. Then the fire and explosion accidents of lithium ion batteries are summarized and the typical accident is analyzed to study the thermal runaway mechanism of lithium ion batteries and the related reactions. And on basis of the thermal models of lithium ion cells and battery modules, Comsol Multiphysics is used to simulate the thermal effects and temperature distributions under specific working currents and heat transfer coefficients. Finally, the safety design methods and some suggestions for the safety use of lithium ion batteries are put forward.

Key Words: lithium ion batteries; electrolytes; typical accident; thermal runaway; Comsol Multiphysics

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第1章 绪论 1

1.1 锂离子电池的发展前景 1

1.1.1 电动车电池首选 1

1.1.2 其它领域需求广阔 2

1.2 锂离子电池的研究意义 2

1.3 研究综述 2

1.4 研究内容和研究方法 4

第2章 锂离子电池基本情况 6

2.1 锂离子电池简介 6

2.1.1 电池的组成 6

2.1.2 电池的工作原理 6

2.2 正负极材料 8

2.3 电解液 8

2.3.1 电解液 8

2.3.2 电解液添加剂 10

第3章 锂离子电池典型事故案例和热失控机理 11

3.1 锂离子电池火灾爆炸事故 11

3.2 典型事故案例 12

3.2.1 事故过程 12

3.2.2 事故调查 12

3.2.3 解决方案 13

3.2.4 事故经验教训 14

3.3 热失控机理 15

3.3.1 理论分析 15

3.3.2 基本反应 18

第4章 Comsol Multiphysics仿真 22

4.1 Comsol Multiphysics 22

4.2 软件仿真模拟 22

4.2.1 电池模型 23

4.2.2 模拟结果 27

第5章 锂离子电池的安全性设计和使用 32

5.1 本质安全方法 32

5.1.1 正极材料 32

5.1.2 负极材料 33

5.1.3 电解液 33

5.2 安全装置 35

5.2.1 安全阀 35

5.2.2 热熔断保险丝 35

5.2.3 热敏电阻（PTC） 35

5.2.4 隔膜 36

5.2.5 电池管理系统（BMS） 36

5.3 安全使用 37

结语 39

参考文献 41

致谢 44

1. 绪论

现代科技催生出各式电气设备，在便利大众生活的同时，对于能量来源也提出了更多更高的要求。电池作为一种移动便携式能量储存介质，自诞生的那天起便备受关注，并持续受到专家学者的亲睐，不断对其进行研究和改进。

虽然充电电池领域的新兴研究将目光投向了具备更高充电效率的石墨烯电池和铝电池等更诱人的研究方向，但就性能优势、目前具备的规模、运用的趋势和技术的成熟度层面来讲，锂离子电池仍将是接下来一段时间研究开发运用的重点。

1.1 锂离子电池的发展前景

1.1.1 电动车电池首选

在充电电池市场，虽然铅酸电池仍占据了大半江山，而镍镉电池在电动工具供能方面也占据了重要的一席之地，但由于其内含的重金属使运用前景受到掣肘。在电动汽车(EV)领域，镍氢电池受自身性能的掣肘（电池能量密度不高），实在难以满足其在续航能力、持续行驶里程方面的需求。燃料电池在性能等方面表现优越，但是技术难度大，需要更多的攻关时间。

锂离子电池在经过了多年的发展后，技术日渐臻于成熟，而其性能优渥，足以担当未来电动车电池领域的顶梁柱。总体观察其性能，可以发现，它在以下这几方面优势明显：

1.能量密度高。其能量密度数倍于镍镉和镍氢电池，能量体积比约240-300Wh/L，而能量质量比则大约能达到100-180Wh/kg，在实际应用中体现出持久的续航能力，因此深得用户喜爱；

2.标称电压高。单体电池标称电压一般在3.7V上下徘徊，如此足以媲美数只镍镉或镍氢电池；

3.自放电率小。其自放电量大概是10%的总储电量/每月（电量饱和状态下）。这样的话，可以用锂离子电池长期储存电能，这显示出了锂离子电池最突出的优越性能；

请支付后下载全文，论文总字数：35228字