A CFD Modeling of Heat Generation and Charge-Discharge Behavior of a Li-ion Secondary Battery

This study investigates a CFD modeling of the charge-discharge behavior due to heat generation during charge-discharge cycles of a Li-ion secondary battery(LIB). Present LIB system adopted a current-density equation, heat and mass transfer governing equations upon the 1-dimensional system to the thickness direction for the rectangular pouch configuration. According to the 3-kinds of the charge-discharge current densities of 1C($17.5A/m^2$), 3C($52.5A/m^2$) and 5C($87.5A/m^2$) subject to a 3 V of cut-off voltage, a constant-temperature system at 298 K and three different heat generating systems were analyzed with comparison. Battery capacity decreases with increment of charge-discharge densities not only at the constant-temperature system but also at the heat-generating system. The time for charge-discharge cycles increases at the heat-generating system compare to the constant-temperature system. These trends are considered that the increase of temperature due to heat generation causes the decrement of equilibrium potential of electrodes and the increment of diffusivity of Li ions. Furthermore, cooling effects were discussed in order to control the influence of heat generation due to charge-discharge behavior of a Li-ion secondary battery.

Li-ion 이차전지의 충방전 시 발열 및 충방전 특성의 CFD 모델링

본 연구에서는 리튬이온전지의 충방전시 발생하는 발열특성을 CFD 모델링하고, 발열에 따른 충방전 특성을 해석하였다. 리튬이온전지는 직교 파우치형 구조로서 두께방향으로의 1차원계로 설정하여, 전류밀도 방정식, 열 및 물질전달 지배방정식을 도입하였다. Cut-off 전압이 3 V에서 충방전 전류밀도가 1C($17.5A/m^2$), 3C($52.5A/m^2$) 와 5C($87.5A/m^2$)에 대하여, 298K의 등온계와 충방전 전류밀도 별 발열계로 각각 설정하였다. 등온계와 발열계에서 모두 충방전 전류밀도가 높을수록 전지의 용량은 감소되는 것으로 나타났다. 등온계에 비하여 발열계에서 충방전 시간이 증가하였으며, 이는 발열에 의한 온도의 증가로 인해 전극의 평형전위가 감소하고, 리튬이온의 확산계수가 증가하기 때문인 것으로 고려된다. 또한, 리튬이온전지의 충전과 방전에 의한 열 발생 영향을 제어하기 위한 냉각효과를 분석하였다.