在现代电池设计中，单纯追求高能量密度已无法满足安全与长循环寿命的需求。电池在充放电、加热及老化过程中产生的体积膨胀（膨胀力）是一个贯穿全生命周期的关键物理现象，它不仅是内部电化学反应与副反应的直接体现，更是连接微观材料演变与宏观结构安全的纽带。本文旨在介绍如何在电池设计中使用GT-Autolion同时统筹热-力学与电化学性能，实现多物理场的协同优化。
1.简介
锂电池的电芯以及Pack设计中，工程师需要仔细权衡夹紧力、压缩缓冲衬垫、热失控防护垫、阻燃泡沫等的设计，以实现能量密度和电池性能/寿命/安全等的综合指标。
手机电池的膨胀
2.什么导致了电池膨胀？
电池的膨胀一般有以下5种原因。目前GT-Autolion可以考虑除产气之外的4种物理机制。而产气机制导致电池膨胀的模型将于2027版本发布。
2.1 颗粒物内部的应力分布模型
电极内部的活性材料颗粒不断经历体积膨胀和收缩。这可能导致应力分布不均（应力发生在径向和切向方向上），进而影响电池的性能和老化。
2.2 电芯层级的力学控制方程
2.3力学模型和老化的耦合
老化对应力的影响
随着老化的进行，各类膜导致孔隙率下降，进而影响力学性能。Autolion将能够分析老化过程中的力学性能
机械应力对老化的影响——活性材料脱落
电池循环过程中，活性材料颗粒内部产生的应力可能会导致颗粒破裂。一旦这些破裂的碎片失去接触，就会变得孤立且失去活性，从而随着时间的推移导致活性材料总量和有效表面积的减少。通过使用基于物理原理的应力模型，我们能够估算这种活性材料的损失，并更准确地预测活性材料损失（AMI）。
机械应力对老化的影响——SEI膜
3.模组和Pack的力学模型
在模组以及pack级别同时耦合电化学、热以及力学是GT-Autolion的一个非常引人注目的功能。 在典型的模组/电池包中，施加了一个预紧力来确保适当的电接触和结构完整性。这种施加的力在决定系统的性能和循环寿命方面起着重要作用， GT的力学库中的模板 AutoLionMechanical，用于建立模组/电池包的力学系统。本例将介绍如何进行模拟模组的三场耦合仿真，这类模型除了常规的进行电芯以及模组、pack的设计外，未来还可以进行数学模型的降阶用于控制器、可以考虑力学对热失控传播的影响、2027版本也将可以考虑产气对模组或者pack力学性能的影响。
该模组由24个软包电池构成，通过翅片（Fin）实现电芯大面的液冷。如下图所示。
*泡棉的热导率
电芯采用电化学模型，同时考虑应力诱导的AMI老化模型、SEI生长和破裂模型。
电芯材料的杨氏模量需要考虑其随着老化而发生变化，试验结果表明，当循环圈数达到1000圈时，杨氏模量会下降11%。这可能是由于SEI膜变得松软、AMI导致颗粒物损耗以及不可逆厚度的增加导致的。
除了上述明确说明的功能提升外，GT-SUITE在热管理应用方面还大量的改进，欢迎大家试用的新版本GT-SUITE。
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