【本刊推荐】基于机械仿真和测试的高比能量锂硫电池模组开发
摘 要 基于高能量密度锂硫电池集成的锂硫电池模组,较传统的锂离子电池模组而言,具有更高的比能量,是未来动力电池产业的重要发展方向。为了开发一款能够满足大众电池模组结构强度标准要求和实际装车需求的锂硫电池模组,本工作基于汽车V模式开发的思想,通过梳理电池模组基本功能的需求定义,结合项目前期对锂硫电池正负极材料、热特性和循环特性等属性的研究,根据大众标准中的冲击、挤压和随机振动等机械仿真要求,总结归纳了锂硫电池模组的设计需求。在设计验证阶段,本项目完成锂硫电池电芯和模组的功能和结构设计,再通过锂硫电池模组的试制和测试验证,完成了整个锂硫电池模组的开发过程。本工作设计开发的锂硫电池模组运用了镁合金、PC(poly carbonate)+ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene)等轻质高强度材料,其能量密度达到了250 W·h/kg,通过了大众标准要求的各项机械性能测试。这种轻量化的模组结构设计在提高模组的能量密度、保持足够的结构强度的同时,还具备良好的散热性能,通过电池模组结构强度来保持预设的锂硫电芯间的预紧力,可以提升其循环性能。
1 锂硫电池模组的开发设计要求
1.1 锂硫电池模组的开发V模式
在汽车行业,V模式开发已经是一种公认的高效模式,模组作为电汽车动力电池系统的关键零部件,其开发也遵循这个过程,如图2所示。为了满足电动车的应用要求,需要从整车的各项需求,比如性能、安全、质量、成本、制造、使用条件等诸多方面考虑模组的相关要求,然后从需求出发,对电池模组进行系统设计。模组的整体需求进而分解为模组的各零部件的性能和结构的设计要求。在此基础上,对模组的各零部件进行试制,接着是样件的仿真与测试,从仿真和测试的结果对模组系统的需求设计再进行修正。然后从样件集成后的模组系统的仿真与测试结果反馈到系统的需求设计。最后,在保证模组系统的可靠性之后再集成到整车中,完成整车电池包系统的集成工作。1.2 锂硫电池电芯的选型和特征
1.2.1 锂硫电池种类选型锂硫电池在充放电过程中,金属锂负极在垂直于负极表面的方向上体积变化较大,此外正极的单质硫转化成固体硫化锂之后,也会发生一定的体积膨胀。虽然方形硬壳有较硬的金属外壳,但是外壳形状已经固定,难以适应金属锂负极的体积变化,也不能承受过大的应力,而软包装电池可以随金属锂充放电而变厚变薄,因此本文锂硫电池电芯选择软包装设计。1.2.2 锂硫电池热特性锂硫电池的单质硫正极是电子和离子的绝缘体,其电子电导率只有4×10-30 S/cm,需要导电性物质复合形成复合材料,导致锂硫电池内阻相对较大,产热量较高,因此在锂硫电池模组的电芯与电芯之间加入导热石墨片,提高使用过程中的热扩散效率,增加电芯的散热能力。1.2.3 锂硫电池循环特性锂硫电池的锂金属负极会随着循环过程发生膨胀和粉化,而硫正极材料涂覆的黏接强度较低,均需要额外的压力来控制膨胀并保持各界面的紧密接触,因此压力对于锂硫电池的循环寿命有较大影响,并且其影响会在模组中进一步得到放大,因此对锂硫电池及其电池组提供持续压力,并能够适应电池体积变化装置,可以解决金属锂负极寿命快速衰减的问题,从而提高锂硫电池模组的循环寿命。1.3 锂硫电池模组的需求定义
模组作为动力电池系统的重要组成部分,其设计需求主要有结构设计、热设计、低压电气设计、高压电气设计和安全设计等。在前期研发的设计中,锂硫电池模组的设计主要兼顾以下4个需求:为电池系统提供足够能量;为电芯提供强度和预紧力;为电芯提供相匹配的热设计;为高低压连接、信号采集和电气安全提供支持和保障。在能量需求方面,目前电动车的一个关键问题是续航里程不足,不能满足用户长距离(≥500 km)的行驶需要,要达到500 km以上的续航里程,电池系统的能量密度要求达到200 W·h/kg以上,而电池电芯的能量密度要达到300 W·h/kg以上;在结构强度和预紧力要求方面,电池模组除了必须满足结构强度中的挤压、震动、冲击等要求之外,还需要兼顾电芯间预紧力的保持,用以提升锂硫电池的循环性能。在热设计方面,需要提高电芯在使用过程中的热扩散效率,增加电芯的散热能力,限制模组内的温差;在高低压连接、信号采集和电气安全方面,高低压连接功能完整,考虑电气安全以及信号采集线路功能完整。2 锂硫电池模组的设计与仿真
根据设计的高比容量的锂硫电池的软包电芯的尺寸为97 mm×120 mm×9 mm,能量密度约为350 W·h/kg。为了适应电池包的应用和电芯的尺寸,并考虑到附加组件的空间,电池模组的尺寸设定为198 mm×138 mm×134 mm,在模组中锂硫电芯采用2并8串的组合方式成组,额定输出电压为16.8 V,总能量为571 W·h,模组设计能量密度为250 W·h/kg。2.1 锂硫电池模组的设计
基于锂硫电池软包质量轻的特点,为了提高成组后模组的能量密度,同时保持足够高的结构强度,模组结构如图3所示。2.2 锂硫电池模组的机械仿真
锂硫电池模组结构的可靠性直接影响模组的使用性能,在模组设计开发时运用合理的机械仿真和分析可以减少资金投入和测试时间,对提高电池模组的开发效率有着重要的作用。为分析模组的结构强度,需运用大众的模组结构强度标准要求进行仿真分析,主要评估模组在冲击、挤压和随机振动这三个测试状态下的表现,来验证模组结构设计的合理性。通过分析模组各部件在不同测试标准下的最大应力值和材料最大许用应力对比,以及电芯和模组的形变是否超过最大允许形变为依据,对锂硫电池模组的结构强度和安全性进行评估。本文采用Hypermesh和ABAQUS软件,完成建模并对锂硫电池模组进行冲击,挤压和随机振动的CAE仿真分析,模组主要部件的材料及物理属性如表1所示。表1 锂硫电池模组主要部件材料及属性
图4 锂硫电池模组的冲击仿真结果
2.2.2 锂硫电池模组的挤压仿真基于电池模组挤压测试标准进行电池模组的挤压仿真,图5为锂硫电池模组的挤压仿真结果,从仿真结果可以看出,在刚性挤压到50 mm,即挤压距离达到电池模组的30%时最大挤压力为22.7 kN,模组和电芯的变形较大,对挤压测试的判断需要和实际测试结合后进行判定。图6 锂硫电池模组的随机振动仿真结果
根据随机振动的仿真结果,针对锂硫电池模组的结构薄弱点进行优化,如图7所示,增加了锂硫电池模组的端板和镁合金回型框之间黏接面积,从而提高锂硫电池模组的强度,经过仿真后,锂硫电池模组各部件均未出现超出材料许用应力的情况,能够满足电池模组的强度要求。2.3 锂硫电池模组样件试制
2.3.1 锂硫电池电芯锂硫电池电芯采用软包形式,尺寸为97 mm×120 mm×9 mm,单边出极耳的结构,电芯容量为20 A·h,能量密度达到350 W·h/kg[图8(a)]。锂硫电芯采用固态和凝胶态复合电解质改善与负极锂金属和硫碳复合正极材料的界面[图8(b)]。固态电解质可以在一定程度上抑制循环过程中锂枝晶的生长,凝胶态电解质能够与复合正极良好接触,同时能够抑制生成的多硫化物的穿梭效应,这种复合的电解质可以有效地提高锂硫电池的循环稳定性,其循环次数可以提高到90次以上[图8(c)]。表2 锂硫电池单体安全测试
2.4 锂硫电池模组样件试制
经过上述对锂硫电池模组虚拟样件的结构仿真分析,下文将采用大众标准中规定的电池模组强度测试要求,对试制的锂硫电池模组进行强度测试,对仿真结果进行验证。2.4.1 锂硫电池模组的冲击测试对模组的三个方向(x、y、z方向)分别进行机械冲击测试,分别采用50 g和60 g的半正弦冲击波,并监测模组的冲击响应信号。从图10(a)、(b)可以看出,锂硫电池模组经过冲击测试之后结构保持完整,模组外侧没有开裂和脱落,模组功能完整,图10(c)~(e)的冲击半正弦波曲线显示,三个方向上的模组的50 g冲击响应曲线均在合理范围内。测试结果表明,基于仿真优化后的锂硫电池模组通过了冲击测试,模组结构设计能够保证模组的整体性。图10 (a) 冲击测试前模组照片;(b) 冲击测试后模组照片;(c)~(e) x、y、z三个方向50 g半正弦波曲线
2.4.2 锂硫电池模组的挤压测试锂硫电池模组挤压测试结果如图11所示,模组经过挤压测试后,与挤压圆柱接触的模组端板出现一定的破坏,另一端的端板脱离回型框[图11(b)]。从变形和压力随时间变化的曲线可以看出,由于电池模组端板发生了断裂,挤压力达到10 kN时,模组的变形量已经达到50%[图11(c)]。从挤压测试结果可以得出,端板和回型框的强度较低,端板与镁合金回型框的连接强度还需提高,但锂硫电池电芯&模组回型框、高低压电气连接部分连接牢固,根据模组测试结果来看,模组未出现HL4状况,满足VW标准的挤压测试要求。图 12 (a) 锂硫电池模组随机振动仿真的功率谱密度曲线;(b) 锂硫电池模组随机振动测试仿真效果图;(c) 锂硫电池模组随机振动测试功率谱密度曲线和实际采集的曲线;(d) 随机振动测试后的锂硫电池模组照片
3 结论
通过整理锂硫电池模组设计需求和机械仿真优化完成了锂硫电池模组的成组结构设计,采用一体式镁合金回型框作为外壳,高强度PC+ABS端板设计成增加有加强骨架和凹凸形貌的结构以增强结构稳定性,电芯间夹一层带硅胶回型框的导热石墨片来提高模组使用过程中的热扩散效率,这种轻量化的结构设计不仅可以提高模组的比能量,在保持锂硫电芯间压力的同时,还能保持足够的结构强度和良好的散热性。基于大众电池模组强度测试标准进行测试评估,结果表明,锂硫电池模组的设计能够满足大众电池模组强度标准要求。此外,结构上模组的结构强度需要进一步的加强和优化以适应锂硫电池的实际应用和满足现实复杂工况的需要。随着电池技术的持续进步,具有高能量密度的锂硫电池及其模组将在储能电站和电动车领域得到广泛应用。引用本文: 谢彬,孙嘉楠.基于机械仿真和测试的高比能量锂硫电池模组开发[J].储能科学与技术,2021,10(02):586-597.
XIE Bin,SUN Jia'nan.Development of high specific energy lithium-sulfur cell module based on mechanical simulations[J].Energy Storage Science and Technology,2021,10(02):586-597.
第一作者:谢彬(1980—),男,工程师,研究方向为凝聚态物理,E-mail:xiebin@csvw.com;通讯作者:孙嘉楠,助理工程师,研究方向为新电池技术,E-mail:sunjianan@csvw.com。
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