伴随着经济全球化进程和化石燃料的大量使用，环境污染和能源短缺的问题日渐突出。为了减少化石燃料使用过程的污染，发展风、光、电可持续再生能源及新型动力电池和高效储能系统，实现可再生能源的合理配置及电力调节，对于提高资源利用效率、解决能源危机和保护环境都具有重要战略意义。锂离子电池具有比能量高、低自放电、循环性能好、无记忆效应和绿色环保等优点，是目前最具发展前景的高效二次电池和发展最快的化学储能电源^[1]。

在锂离子电池商业化之前，上世纪70年代在埃克森工作的，而现在在宾汉顿大学工作的M.S.Whittingham最早提出锂离子电池。他采用硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极材料，制成首个锂离子电池^[2]。到1989年，A.Manthiram和古迪纳夫发现采用聚电解质(例如，硫酸盐)的正极将产生更高的电压，原因是聚电解质的电磁感应效应^[3]。随后锂离子电池进入商业化时代：1991年–索尼公司和旭化成公司发布首个商用锂离子电池。之后，锂离子电池革新了消费电子产品的面貌。2015年–特斯拉汽车公司推出的Tesla Powerwall和PowerPack电池，分别用于住宅和商业用途。

我国是在80年代初期开始进行锂离子电池的开发研制工作的，1995年的年产量大约为3100万只，进入2001年以后，随着深圳比亚迪、比克、邦凯、天津力神等锂离子电池企业的迅速崛起，我国的锂电池产业开始进入快速成长阶段2004年达到8亿只，在全球市场的份额猛增长38%，仅次于日本。在其后的几年间，我国的锂离子电池全球份额稳定在30%左右。经过十几年的飞速发展，2011年中国锂离子电池的年产量已达到近23亿只，产量在16年间增长了70倍^[4]。

随着锂离子电池的诞生及其在数码产品领域的广泛应用；人们对化石燃料的燃烧污染和资源枯竭的忧虑感增强，综合促动了电动车开始以锂离子电池作为动力源的方向发展，并受到市场关注和政策的不断支持。近些年来，物联网、无人驾驶等技术飞速发展，电动车作为零排放低噪音的汽车，正是这些高新技术的最佳载体，吸引各个国家各大车企竞相发展。动力类锂离子电池于此同时脱胎于数码类电池，开始了快速的技术更新和产品迭代，能量密度、寿命等关键性能指标不断提高，逐步可以满足纯电动车市场的技术需求。锂离子电池的科学研究和产业化不断深入，其作为核心技术指标的质量能量密度每年以至少8%以上的速度增长，目前商品化的锂离子动力电池的能量密度已经能够做到250W·h·kg^-1 以上，配套的纯电动车的续航里程已经能够达到 300 km 以上，基本满足日常出行的需求。在纯电动车领域，锂离子电池已经是目前动力电池技术的主流解决方案，并得到科学领域的广泛研究和产业链的协调发展。同时，纯电动车不断提高的技术要求，对锂离子动力电池的发展也是一种挑战。而动力电池企业是动力电池行业发展的实体，也是一个国家动力电池产业化程度的缩影。在产业化方面，当前已经形成了中日韩“三足鼎立”的格局，典型企业有日本的松下,韩国的三星与LG，中国的宁德时代(CATL)和比亚迪(BYD)。这些企业能够进行产研结合，大规模生产的自动化程度很高，其产品特点是高一致性和稳定性，较低的成本控制能力，这些优势使其在全球的动力电池市场占领很大的市场份额,和各大著名汽车公司形成紧密稳定的供应链关系^[5]。

在动力电池技术开发创新过程中，国内外的企业和科研院所都在进行研究，电池的性能指标不断提高，其中首要的因素就是电池材料的技术进步。而在面对大型动力电池的设计问题上，除选定材料体系以满足电池的能量密度指标，还需开展结构设计的相关工作，以达到对功率、寿命、安全性等更高的要求。动力电池的设计包括微观电极设计和宏观结构设计两方面内容，前者主要是指与电极有关参数的设计，如电极材料的配方、面密度、厚度、孔隙率等；后者是指电池的3S设计参数，即形状(shape)、容量(size)与比例(scale)。

在电池设计过程中，动力电池演化出了三种典型的封装形状，分别为圆柱卷绕式、软包叠片式和方形卷绕式^[6]。李平等^[7]对17款车用动力电池形状进行了统计。其中，47%的电池采用了方形铝壳式结构，41.2%的电池采用了软包叠片式结构，11.7%的电池采用了圆柱卷绕式结构。同时，单体电池容量的确定是动力电池结构设计的一个重要话题。无论何种构型电池，当单体容量较小时，电池组内单体数量过多，连接件上的损耗大，管理系统复杂，成本增加; 而当单体电池容量过大时，单体电池内部热特性、电特性、老化特性等分布较为不均匀，单体出现安全事故的可能性增加^[8]。Al-Hallaj与Selman^[9]采用圆柱电池的一维径向模型，比较了长径比相同的10、30、50和100A·h等不同容量圆柱卷绕式电池在放电过程中的径向温度分布。仿真结果表明，电池尺度等比放大后，其同一放电倍率下的最高温升明显增加。Chen等^[10]通过仿真方法比较了相同长径比的圆柱卷绕式电池等比放大后的温度分布情况。结果表明，电池容量从0.08A·h放大到106.48A·h后，3C放电过程中电池内部的最大温升增加了近40℃，最大温差增加了近15℃。在确定了电池的形状和容量后，还需确定电池不同尺度的合理比例。Kim等^[11]通过仿真模型考察了软包叠片式电池极耳的尺寸、位置和电极面积对电池的电流密度分布、荷电状态(SOC)分布和温度分布的影响。结果表明，极耳于电芯的对侧放置可以显著降低放电过程中的温度差异，而减小极耳尺寸和增大极片面积则会增大电芯内的温度差异。Inui 等^[12]比较了方形电池在不同长厚比情况下的温度分布，结果表明，扁平(长厚比大) 的电池在放电过程中的最高温度明显低于长厚比小的电池。Lee等^[13]对一款20A·h 圆柱卷绕式电池的极耳个数和位置进行了优化分析。结果表明，增加极耳个数，有利于提高电池内部产热、电子传导和电化学反应动力学分布的均匀性。T.Mesbahi等^[14]介绍一种基于电力电子设备的特定电池仿真器，其具有改进的电池模型。开发的系统允许用户在各种电池行为或环境条件下测试电动车辆。该系统的优点是能够改变电池的内部参数以及安全地创建默认值。肖忠良等^[15]研究了动力锂离子电池仿真研究的优势和重要意义，分别从电池热模型、电学特性模型、老化模型等模型出发，比较了众多仿真模型针对锂离子电池性能的仿真结果，总结不同模型的优势以及存在的薄弱环节.值得注意的是，从产品开发的角度来看电池的比例设计，电芯尺寸的部分参数上既需要满足客户要求，也需要遵循相关的电芯规格尺寸行业标准，比如国际上常用的德国汽车工业联合会(VDA)标准和我国的GB/T34013—2017标准。

根据以上国内外现状分析，限制锂离子动力电池的性能主要是存在于化学和物理两个方面。从化学的角度上讲，主要是电池正负极材料问题:目前动力锂离子电池普遍采用的正负极材料分别主要为三元材料与石墨材料，为了满足高能量密度电池的要求，正负极材料的比容量需要进一步提高。从物理的角度上讲，主要是单电池和封装电池组的宏观结构设计方面，以及相关电池管理系统。对于大学生而言，为了分析锂离子电池的优缺点，可以从物理方面入手，具体通过建模仿真的方法模拟锂离子电池在不同工况下的温度分布和热源位置来分析其优劣势，具有一定的理论研究意义和实际工程应用价值。

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究内容

本文主要完成锂离子动力电池的发展现状及应用调研，通过查阅相关资料和文献，了解锂离子动力电池的结构和工作原理，运用建模软件建立锂离子动力电池仿真模型，利用模拟软件对单电池进行模拟仿真，根据仿真结果分析锂离子电池的优缺点等。

2.2研究目标