大容量储能电池在可再生能源体系集成的储能电站中的部署日益广泛。但是，对其内部非均匀特性的全面了解仍显不足，这直接影响了运转安全与循环安稳性。为阐明这些现象，本研讨构建了一个专为大容量LiNi基电池规划的多物理场耦合结构，该结构整合了三维电化学模型与三维热模型。x钴y锰z本研讨开发并试验验证了一种镍钴锰酸锂(NCM)电池电化学-热耦合模型，该模型提醒了不同放电倍率、环境温度和传热系数条件下电池生热演化进程及热-电化学非均匀性特征。结果标明：这三种运转参数均会导致电池内部呈现非均匀性散布。在高倍率放电条件下，欧姆热主导了热散布特性，同时伴跟着负极与隔膜生热份额的持续上升。相反，在低温条件下，极化热成为首要热源，阳极则成为首要产热结构。传热系数经过调理极化和欧姆热耗散进一步影响热行为。就电化学功能而言，过电位与电流密度的空间散布高度一致，然后主导了热行为的非均匀性。本研讨为了解大容量电池内部非均匀性供给了更深入的见地，为优化热办理体系及开发更安全的高能量密度存储方案供给了要害辅导。2 (NCM) batteries is developed and experimentally validated in this study, which reveals the evolution of heat generation, thermal and electrochemical non-uniformity at various discharge rates, ambient temperatures, and heat transfer coefficients. The results indicate that these three operating parameters result in the battery internal non-uniformity. At high discharge rates, ohmic heating dominates the thermal distribution characteristics, accompanied by a continuous increase in the proportion of heat generated by the anode and separator. Conversely, under low-temperature conditions, polarization heat becomes the primary heat source, with the anode emerging as the main heat-generating structure. The heat transfer coefficient further influences the thermal behavior by modulating both polarization and ohmic heat dissipation. Regarding electrochemical performance, the spatial distributions of overpotential and current density are highly consistent, thereby governing the non-uniformity of thermal behavior. This research provides deeper insights into the internal non-uniformities of large-capacity batteries, offering critical guidance for optimizing thermal management systems and developing safer high-energy-density storage solutions.
引言
跟着风能、太阳能等可再生能源的快速发展，大容量储能电站日益应用于削峰填谷、调频及可再生能源并网等场景，以保持电网安稳[1][2][3]。为降低成本、提高储能量并改善循环寿数，大容量方形锂离子电池（LIBs）逐步成为储能市场的主流技术，广泛应用于各类储能电站[4][5]。但是跟着单体电池容量的增大，其体积与作业电流亦随之增加，导致电池内部不一致性加重，从而引发热量部分积聚，增加了热失控风险[6][7][8]。此外，温度散布不均会加速电极的非均匀老化，进一步影响电池循环寿数与安全性[9]。曩昔十年间，全球储能电站已发生数十起安全事故，尤以选用高压、高能量密度三元锂离子电池（NCM）的体系为甚[10]。因而，研讨大容量NCM电池的电化学与热特性，对保障其工程应用效能、优化安全办理办法以及规划高功能安全材料具有重要意义。
跟着储能规模持续扩大，储能电池正朝着高容量、低成本、长寿数方向发展[11]。大容量方形电池的研讨逐渐遭到越来越多关注。Meng等[12]体系研讨了300 Ah磷酸铁锂(LiFePO4)电池老化特性与热特性的相关规则。4（LFP）电池。经过测量电池老化前后的内阻与熵系数改变，剖析了可逆热与不可逆热的演化规则。Ju等[13]结合试验研讨与数值模仿，探求了280 Ah LFP电池恒功率放电条件下的电热功能，并研讨了单相浸没冷却工况下贱道布局与流体类型对电池功能的影响。Jiang等[14]树立了一个包括200安时NCM退役电池的储能体系全标准热流体模型，模仿了不同冷却剂流速和环境温度下电池模块的温度及热不一致性。Tian等[15]开发了48安时NCM电池的电化学-热耦合多物理场有限元模型，研讨了初始温度、初始荷电状况(SOC)、放电倍率等参数对运转进程中动态温度散布的影响。现有研讨首要集中于根据大容量LFP电池的热办理，而对容量超越100安时的NCM电池热行为和电化学行为的研讨非常有限。在研讨大容量电池时，简化模型往往会疏忽电池内部复杂的非均匀电化学与热特性，因而无法实在表征实践工况。比较之下，关于小容量电池，模型内的空间梯度较弱且传输路径较短，因而不会表现出明显的空间非均匀性。比如电流密度、过电位和产热速率等内部非均匀性相对较小，能够疏忽不计。此外，较高的外表积体积比约束了散热，导致中心与外表的温度梯度较小。反之，大尺寸电池的低外表积体积比阻碍了有用的热传递，然后导致更高的作业温度。因而，有必要开发更高维度的电池模型来研讨大型电池的热力学与电化学行为。
大规模锂离子电池（LIBs）的功能明显受其内部电化学与热特性影响，但这些特性无法直接经过试验进程获取。为此，研讨者树立了不同维度的电化学-热耦合模型，以获取电池内部反应进程，并研讨不同工况下电池的电化学与热特性[16]。Ghalkhani等[17]开发了软包锂离子电池的三维层状结构模型，用以解析温度与电流密度散布。经过三维建模取得的LIB温度场标明，由于电流散布不均和部分内阻影响，大部分热量积聚在电池正极极耳周围。Wang等[18]开发了一种30Ah NCM电池的三维电化学-热耦合模型，研讨了不同放电倍率和环境温度下电池内部在1D和3D标准上的电化学与热特性，包括锂离子电池内部的电流密度、产热率和温度散布。根据三维电化学-热耦合模型，Li等人[19]研讨了20Ah软包型LiFePO₄锂离子电池在不同放电倍率下的内部热特性。Mei等人[20]树立了一个5Ah LiNi1/3钴1/3锰1/326650型锂离子电池，评估不同倍率充放电循环进程中的温度散布、产热等热特性。Jia等[21]开发了电池单体的一维电化学-热耦合模型，研讨不同倍率与温度下的热行为及电化学反应动力学特征，发现温度对平均产热率影响较小，但会明显影响电化学反应速率与电池内部热量散布的均匀性。Jia等[22]针对方形锂电池在不同放电倍率下的作业状况，树立了电化学-热耦合模型，体系剖析了多孔电极与集流体内部的产热散布规则，提出了总产热量与放电倍率及放电时刻之间的定量关系。整体而言，现有研讨首要集中于放电倍率对小容量电池电化学特性和热特性的影响，而疏忽了环境温度、传热系数等要害因素的效果。
关于高容量电池而言，非均匀的电化学与热行为会加重内部失衡现象，包括电流密度、荷电状况（SOC）以及容量衰减[23]。因而需求选用更高维度、多标准的电化学-热耦合模型来探求非均匀电化学与热行为对电池功能的影响。Mei等[24]构建了三种不同单胞数量的三维分层电化学-热耦合模型，用于研讨绝热条件下单胞数量对电池热行为及电化学特性的影响。研讨发现模型中单胞数量对温度散布、单位体积产热速率及典型电化学功能指标影响甚微。He等[25]开发了三维电化学-热耦合模型用于研讨软包锂离子电池的电化学与热特性，发现过电位与部分电流密度的非均匀散布会导致生热速率不均，从而引发温度散布不均匀现象。经过树立30Ah三元锂离子电池的3D电化学-热耦合模型，Li等[18]发现电池内部电流密度散布与总生热速率散布存在强相关性。He等[16]针对NCM811/石墨锂离子电池开发了八种具有不同保真度和维度的电化学-热耦合模型，比较了模型简化对在不同放电倍率和冷却速率下猜测热功能与电化学功能的影响。同时对比了模型精度与核算耗时，并就各模型的适用性展开全面评论。Lin等[26]开发了集成电化学模块与热模块的三维多物理场模型，对比评估了集总热源与非均匀热源模型的功能。此外，该团队将所建模型应用于280Ah磷酸铁锂4电池以研讨储能电池的内部特性[27]。与集总模型比较，全尺寸耦合模型在描绘温度不一致性方面表现出更高的猜测精度。因而，关于大容量方形储能电池，必须经过树立三维多物理场电化学-热耦合模型来反映其内部非均匀特性。
本研讨开发了一个耦合三维电化学模型与三维热模型的归纳模型，以解决二者非均匀特性的耦合问题。经过研讨不同放电倍率、环境温度和传热系数下的放电进程，加深了对电池内部非均匀电化学特性与热特性的了解。首要，经过核算结果与试验数据的对比验证了模型的准确性。其次，分别研讨了电池在不同放电倍率、环境温度和传热系数下的热特性与电化学特性。量化了电池放电进程中不同生热类型对总生热量的贡献份额，提醒了多种工况下生热与温度散布的非均匀特性。最终经过剖析过电位与电流密度，探求了电池的非均匀电化学行为。本研讨有助于了解高容量储能电池内部的非均匀行为，可为优化热办理体系及开发更安全可靠的高能储能方案供给有价值的辅导。
