吕松教授团队JPS：固态电池多层结构的电化学-热耦合模型及热特性研究

作为下一代储能解决方案，固态电池（SSBs） 具有高能量密度、长循环寿命和增强的安全性，但由于固体电解质的内阻增加，导致固态电池充放电过程中的产热量增加。目前，研究人员主要使用集总参数模型来评估 SSBs 热特性。尽管这些模型能够快速预测整体温度趋势，但该模型忽略了电池多层结构中的热量产生和热异质性等差异，从而导致模型存在严重的不准确性。为了提高 SSBs 热行为分析的精度，本研究开发了一种考虑极耳热特性的多叠层电芯结构和电化学动力学的高精度 3D 仿真模型。该模型降低了固态电池温度和温差估计的误差，提高了模型估计的准确性。这些发现为优化SSBs结构和工艺提供了有价值的指导。

近日，来自武汉理工大学船海与能源动力工程学院的刘喆、刘文卓、黎湘霖和导师吕松教授，在国际知名期刊Journal of Power Sources上发表题为“Study on electrochemical-thermal coupling model and thermal characteristics of multilayer structure of solid-state batteries”的研究文章。该研究通过解析电化学阻抗谱，SEM和充放电测试，建立了初步的固态电池实验测试数据模型，并通过数据分析构建了固态电池的新型多叠层电化学-热耦合模型，实验测试结果验证了模型的精度。该方法能有效反映固态电池温度和温差变化情况。同时该电化学模型参数改进可以优化电池发热表现，这些发现为固态电池工艺结构设计和热管理结构优化提供了相应的指导依据。

本研究提出了一种高精度的三维电化学-热耦合仿真模型，首次实现对固态电池多叠层电极结构与电化学动力学过程的深度融合，系统揭示了电芯内部热量生成、传导及积聚的多尺度耦合机制。该模型能够高分辨率地模拟正负极、固体电解质与集流体等各功能层之间的热-电相互作用，有效反映热源分布的时空演化特征。相较于传统集总模型，所构建模型显著提升了固态电池热行为预测的精度与可靠性，为热管理策略设计、结构优化及电池安全评估等工程应用提供了有力的技术支撑与实践指导。

模型通过电化学阻抗谱（EIS）、充放电性能测试及温度场实测数据进行了多维度综合验证。结果表明，模型仿真所得电压与温度变化趋势与实验数据高度吻合，其中最大电压误差小于 2%，温度偏差控制在 0.35 ℃以内，显著优于传统集总参数模型。该验证结果充分说明所构建的三维电化学-热耦合模型具备优异的预测精度与稳定性，能够为固态电池系统的热管理设计、运行安全评估及热失控故障预警提供可靠的建模基础与数据支撑。

在 2C 高倍率放电条件下，研究发现固态电池内部热量分布高度非均匀，局部热失衡现象显著，尤其在正极极耳区域出现明显热积聚，区域温度较周围结构高出超过 5 ℃。该现象表明，极耳作为电流集散与热流汇聚的关键部位，其几何结构与材料参数对局部温升具有决定性影响。热堆积不仅增加了热失控风险，也可能加速局部材料退化、诱发性能不均一老化。本研究基于热-电耦合机制，指明了固态电池在极耳热不均匀性的现象，为固态电池在高倍率应用场景下的极耳设计优化、热管理布局以及安全保障机制提供了关键理论支撑与工程指导。

基于构建的电化学-热耦合模型开展的参数敏感性分析显示，适度提高固体电解质的离子电导率或显著减小电极颗粒半径均可有效降低电芯表面平均温度，降幅达 0.8–1.0 ℃。这些调控策略在抑制内部热积累、缓解局部过热风险方面表现出积极成效，同时有望提升电池的循环稳定性与使用寿命。研究结果为固态电池的结构优化、电极材料筛选及多尺度热管理系统的集成设计提供了定量化的调控依据与工程指导。

刘喆：武汉理工大学在读硕士研究生，导师为吕松教授，研究方向为固态电池电热耦合热特性分析及热管理仿真

吕松：武汉理工大学教授，博导。长期从事新能源利用、电池热管理与性能调控、新能源与材料交叉学科研究，在PNAS、Advanced Energy Materials、Advanced Function Materials、Cell Reports Physical Science、Applied Energy、Energy、Renewable Energy等发表高水平论文60余篇，申请发明专利10余项。动力工程及工程热物理/材料科学与工程专业联合导师。兼任国家高层次人才会评专家、国家自然基金评审专家、中国高等教育学会工程热物理专业委员会理事等。主持国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金、湖北省自然科学基金、省部级人才项目和科技部重点研发计划课题等。全国能源动力类专业百篇优秀毕业论文指导教师。担任eScience、CEST等国际国内期刊编委，Nature、PNAS、Nature Communication等50余个国际学术期刊特邀评审专家。获中国最美人物、美国百人会英才学者、武汉英才等荣誉称号，获得第45届日内瓦国际发明金奖、2022年度湖北省科技进步一等奖等科技奖项。多次受邀在中国工程热物理学会学术会议、世界新能源与材料作特邀报告。

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