Coupled mechanical-electrical-thermal modeling for short-circuit prediction in a lithium-ion cell under mechanical abuse

分离器(采油) 有限元法 热的 缩进 材料科学 电网 结构工程 机械工程 机械 工程类 复合材料 电气工程 热力学 物理
作者
Chao Zhang,Shriram Santhanagopalan,Michael Sprague,Ahmad Pesaran
出处
期刊:Journal of Power Sources [Elsevier BV]
卷期号:290: 102-113 被引量:244
标识
DOI:10.1016/j.jpowsour.2015.04.162
摘要

Abstract In order to better understand the behavior of lithium-ion batteries under mechanical abuse, a coupled modeling methodology encompassing the mechanical, electrical and thermal response is presented for predicting short-circuit under external crush. The combined mechanical-electrical-thermal response is simulated in a commercial finite element software LS-DYNA® using a representative-sandwich finite-element model, where electrical-thermal modeling is conducted after an instantaneous mechanical crush. The model includes an explicit representation of each individual component such as the active material, current collector, separator, etc., and predicts their mechanical deformation under quasi-static indentation. Model predictions show good agreement with experiments: the fracture of the battery structure under an indentation test is accurately predicted. The electrical-thermal simulation predicts the current density and temperature distribution in a reasonable manner. Whereas previously reported models consider the mechanical response exclusively, we use the electrical contact between active materials following the failure of the separator as a criterion for short-circuit. These results are used to build a lumped representative sandwich model that is computationally efficient and captures behavior at the cell level without resolving the individual layers.
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