Thermal behavior of lithium-ion batteries under normal and abuse operating conditions
Tezin Türü: Doktora
Tezin Yürütüldüğü Kurum: Hacettepe Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI, Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2022
Tezin Dili: İngilizce
Öğrenci: TANILAY ÖZDEMİR
Danışman: Özgür Ekici
Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu
Özet:Bu doktora çalışması Lityum-iyon pillerinin, normal ve normal olmayan çalışma koşulları altındaki elektriksel ve ısıl davranışlarını incelemektedir. Çalışmada hem deneysel yöntemlerle, hem de modelleme yöntemleriyle sonuçlar elde edilmiştir. Deneysel çalışmalar kapsamında ilk olarak standart batarya testleri yapılmıştır. Özgül ısı, iç direnç ve açık devre gerilimi gibi bazı elektriksel ve ısıl parametreleri elde etmek amacıyla bir batarya test düzeneğinden faydalanılmıştır. Bu test düzeneği aynı zamanda Lityum-iyon pillerin çeşitli akımlarda ve çalışma sıcaklıklarındaki şarj ve deşarj işlemlerini gerçekleştirmek için kullanılmıştır. Bunun yanı sıra, hem tamamen dolu, hem de tamamen boş pillerin yüksek sıcaklıklardaki davranışını gözlemlemek amacıyla fırın testleri yapılmıştır. Bu çalışmalara ek olarak, Lityum-iyon pillerin yüksek sıcaklıklardaki elektriksel davranışı incelenmiştir. Son olarak, çeşitli doluluk oranlarındaki Lityum-iyon pillerin yüksek çalışma sıcaklığı altındaki ısıl sürüklenme davranışını incelemek için film ısıtıcı testleri gerçekleştirilmiştir. Modelleme çalışmalarında ise ilk olarak iki boyutlu yığık bir model, silindirik bir Lityum-iyon pilin farklı çalışma sıcaklıkları ve deşarj koşullarındaki elektriksel ve termal özelliklerini tahmin etmek üzere, sabit iç direnç ve değişken iç direnç yaklaşımları kullanılarak geliştirilmiştir. Sonrasında ise bir boyutlu elektrokimyasal bir model ile üç boyutlu ısıl modelin birlikte kullanıldığı bir benzetimde, Lityum-iyon pil hücresinin elektriksel ve ısıl davranışları tahmin edilmiştir. Her iki model de COMSOL programı yardımıyla geliştirilmiş ve uygulanmıştır. Elektrokimyasal-ısıl model, çok sayıda geometrik, elektro-kimyasal ve ısıl parametreyi içinde barındırır. Bu nedenle, uygun değer model parametrelerini elde etmek amacıyla kapsamlı bir duyarlılık analizi yapılmıştır. Bu analiz aynı zamanda deşarj işlemleri sırasında hücrenin elektriksel ve termal davranışını önemli ölçüde değiştirebilecek parametrelerin de gözlemlenmesini sağlamıştır. Çalışmanın son kısmında, elektrokimyasal-ısıl model, Lityum-iyon pillerin normal olmayan koşullardaki davranışını incelemek amacıyla güncellenmiş ve hücredeki ısı üretimini artıran dört ana ekzotermik reaksiyon, Arrhenius tipi sıcaklığa bağlı denklemler kullanarak modele eklenmiştir.