CAT蓄电池液态储备电池瞬态激活过程的多物理场建模与微通道优化设计
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卡特蓄电池 发布时间：2026-04-09 20:29:24 点击： 次
对于应用于瞬态系统的储备电池而言，仅具备长储存寿命是远远不够的，快速可靠的激活同样至关重要。延迟激活可能导致关键系统状态或环境信息丢失，并可能危及时效性任务的执行[19][20]。因此，激活过程建模与可控激活设计已成为重要研究课题[21][22]。在热储备电池领域，通过系统级热电化学建模、计算高效降阶策略以及面向设计的优化方法，已在激活行为的预测与调控方面取得显著进展，使该技术日趋成熟。该问题已在热电池领域得到深入研究和妥善解决。Wang等[23]提出了一种系统级热电化学耦合模型，该模型整合了燃烧反应、传热过程、相变机制、离子传输与电压响应等多物理场的耦合效应，实现了电池在短时程（100毫秒）激活过程中复杂动态行为的瞬态模拟。该研究对激活电压、激活时间、温度与相态分布、内阻及电流密度等关键参数的性能进行了量化表征。LiSi/FeS2本研究对热电池系统激活过程中的性能进行了定量评估。该模型在预测激活电压方面具有较高精度，误差小于5%。基于此，研究团队将模型扩展应用于电池模块设计，探究了电池堆激活时间与关键设计参数（包括整体几何构型以及含能药剂片与储能单元相对厚度）的关联机制。此外，Roberts等人[24][25]研究了热电池激活过程中强多物理场耦合导致的建模精度与计算效率之间的固有矛盾，提出了一种保真度分级的系统建模策略，可大幅降低模型复杂度。该方法在保证关键设计参数预测误差低于5%的前提下，实现了计算效率的数量级提升，使得激活时间的工程实用优化成为可能。Park等人[26]将深度学习方法与热电池模型相结合，实现了热电池重量与热设计的独立智能优化。Liu等[27]在激活过程模型中引入点火时间间隔效应，系统分析了电偶对数、环境温度、热敏层厚度分布等参数对激活性能的影响。
然而，这些技术进展无法直接移植至贮备式液体电池领域。在对热负荷要求更低、能量密度需求更高以及启动速度要求更快的应用场景中，贮备式液体电池仍具有不可替代性。这一特性在深海探测设备、军用装置及高速弹载装备所采用的锌银电池、锂亚硫酰氯电池及相关体系[28][29][30][31]中表现得尤为显著。从应用能源视角来看，这些系统代表一类处于休眠状态的电化学储能装置，其价值取决于触发后储存的化学能转化为可用电能的速度与可靠性。核心挑战在于液态储备电池的激活本质上是一个强瞬态、跨尺度的多物理场过程。机械扳机触发后，系统会经历电解液释放、瞬态流入、多孔电极润湿以及随后的快速电化学反应响应[32]。这些子过程并非独立存在：流入场决定了初始及动态润湿条件，而润湿状态则主导着有效反应界面与早期电压累积。相较于热电池，其特征时间尺度更短，且力学、流体输运、多孔介质润湿与电化学之间的耦合作用更为强烈，这使得动态建模与数值预测的难度显著增加。现有研究主要集中于孤立子过程（如执行器动作或电解液流入），因而仍无法完整描述激活序列，或定量预测激活时间等关键性能指标。
因此，仍存在两个核心问题亟待解决。首先，目前尚未建立能够完整描述液态储备电池全激活过程的系统级动态框架。其次，定量关联浸润动态演变与电压建立及激活时间的物理机理预测方法仍有待开发。这些局限不仅阻碍了对激活过程机理的深入理解，更制约了基于性能优化的结构高效设计与激活调控策略的制定。对于《Applied Energy》期刊读者而言，更关键的问题在于：缺乏具有预测性和普适性的理论框架，使得促激活结构的优化工作仍高度依赖经验性尝试，并伴随着高昂的试错成本。
为突破这一瓶颈，本文建立了液态储备电池的综合动态模型，整合了包括机械响应、电解液注入、多孔电极润湿及电化学反应在内的完整激活过程。随后对激活时间、动态润湿状态等瞬态多物理场特性进行了数值模拟。在此基础上，进一步提出采用微通道阵列的润湿增强型集流体，并建立了微通道设计的多参数协同优化框架。该策略使激活时间缩短50%以上，不仅提供了特定案例的设计方案，更为快速激活电化学储能装置建立了建模-优化通用框架。主要创新点如下：
在活化过程的机理建模方面，文献[33]仅能在极度简化的电池几何结构中获取电解液与电极接触前的运动规律，无法模拟电解液与电极接触后的润湿行为。为解决这一问题，我们首次提出了活化过程的动力学建模方法。通过建立活化机制驱动的电解液液滴速度与初始润湿压力之间的等效压力传递关系，我们创新性地实现了活化子过程的级联动力学模型。该模型定量表征了多孔电极内电解液的动态润湿状态，突破了传统方法无法分析跨过程耦合效应的理论瓶颈。
在液体储备电池激活时间的定量预测方面，文献[34]通过大规模穷举实验分析激活时间，不仅效率低下，还难以建立普适性设计准则。针对这一关键问题，我们首次提出了一种低成本高精度的液体储备电池激活时间预测方法，通过构建电解液浸润状态与激活电压响应之间的等效标定关系来实现。该方法仅需小样本实验数据集进行模型标定，即可预测不同结构电池的激活时间。该方法从根本上克服了传统实验方法无法揭示性能与结构内在关联的理论缺陷。
在引信电池设计中，文献[14]通过失效机理分析与余量设计，探讨了锂电池在高冲击条件下的可靠性问题。然而，该研究采用的传统平板式集流体设计制约了电解液传输速率，导致激活时间延长。为解决这一难题，本文提出一种润湿强化的微通道阵列集流体设计，以加速电池激活进程。基于所提出的模型，我们对微通道阵列的宽度、深度、长度及数量进行了优化。根据该模型，微通道阵列的宽度、深度、长度和数量均得到优化配置。通过激光蚀刻工艺制备微通道，并利用机载激活测试系统进行实验验证，结果表明所制备电池的激活时间显著缩短。本工作成功解决了现有技术中因电解液传输速率受限而导致的激活延迟问题。
