Термоелектрохімічні процеси в літій-іонних акумуляторах: моделювання та аналіз
DOI:
https://doi.org/10.30977/AT.2219-8342.2026.58.0.07Ключові слова:
літій-іонний акумулятор, термоелектрохімічне моделювання, температура, густина струму, електрохімічні процеси, електромобіль, акумуляторна батареяАнотація
Проблема. Досліджено термоелектрохімічні процеси в літій-іонному акумуляторі з графітовим анодом і катодом типу NMC. Запропоновано математичну модель на основі системи нелінійних диференціальних рівнянь у частинних похідних, що враховує процеси перенесення заряду, тепла та маси в електродах і електроліті. У моделі реалізовано електрохімічну кінетику за рівнянням Батлера–Вольмера, дифузію іонів літію, розподіл потенціалів і теплові ефекти, спричинені джоулевим нагріванням та електрохімічними реакціями. На основі чисельного розв’язання DFN-моделі з тепловим модулем проведено аналіз просторово-часових розподілів температури, густини струму та напруги за різних режимів навантаження. Встановлено наявність температурних градієнтів і нерівномірного розподілу струму, що впливають на ефективність, деградацію та ресурс акумулятора. Визначено критичні режими роботи, які характеризуються підвищеним внутрішнім опором, локальним перегрівом і зниженням стабільності системи. Мета. Розроблення математичної моделі динамічних термоелектричних процесів у літій-іонному акумуляторі та оцінювання ефективності використання системи нелінійних диференціальних рівнянь для аналізу електричних, теплових і дифузійних явищ. Методологія. Використано узагальнену DFN-модель з інтегрованим тепловим модулем (DFN + Thermal PDE). Для розв’язання системи рівнянь застосовано чисельні методи. Результати. Отримано залежності вихідної напруги від температури та струму навантаження. Виявлено вплив локального перегріву й нерівномірного розподілу густини струму на ефективність і термін служби акумулятора. Оригінальність. Запропоновано мультифізичну модель, що інтегрує електричні, теплові та масообмінні процеси в єдиній системі. Практичне значення. Модель може бути використана для прогнозування роботи літій-іонних акумуляторів, оптимізації конструкції, удосконалення систем терморегулювання та підвищення енергоефективності, надійності й безпеки батарейних систем
Посилання
Багач Р. В., Кальченко О. О. (2023). Перспек-тиви та розвиток літієвих акумуляторів в Ук-раїні. Світові тенденції ресурсозбереження на електричному транспорті: матеріали Всеукр. наук.-практ. конф., 31–34. Bahach, R. V., & Kalchenko, O. O. (2023). Perspektyvy ta rozvytok litiievykh akumuliatoriv v Ukraini (Prospects and development of lithium batteries in Ukraine). Svitovi tendentsii resursozberezhennia na elektrychnomu transporti: materialy Vseukr. nauk.-prakt. konf., 31–34. https://science.kname.edu.ua/images/dok/konferentsii/2023/Tezy_2023/Tezy_ET_23-25_10_23.pdf#page=31
Qianqian, Z., Wei, Z., Siyang, W., Xufei, Y., Guanglin, L., Dongliang, S., & Bo, Y. (2026). Thermal management of lithium-ion batteries: from single cooling to hybrid cooling. RSC Advances, 16(3), 2555–2584. https://doi.org/10.1039/D5RA00123A
Багач Р. В. (2021). Перспективи подальшого вдосконалення акумуляторних батарей для електромобілів. Новітні технології в автомо-білебудуванні, транспорті та при підготовці фахівців: матеріали Міжнар. наук.-практ. конф., 346–349. Bahach, R. V. (2021). Perspektyvy podalshoho vdoskonalennia akumuliatornykh batarei dlia elektromobiliv (Prospects for further improvement of batteries for electric vehicles). Novitni tekhnolohii v avtomobiliebuduvanni, transporti ta pry pidhotovtsi fakhivtsiv: materialy Mizhnarodnoi naukovo-praktychnoi konferentsii, 346–349. https://api.dspace.khadi.kharkov.ua/server/api/core/bitstreams/f2cddad8-ee08-4314-831e018403b09d23/content
Perez, H. E., Hu, X., Dey, S., & Moura, S. J. (2017). Optimal charging of lithium-ion batteries with coupled electro-thermal-aging dynamics. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 66(9), 7761–7770. https://doi.org/10.1109/TVT.2017.2676707
Jones, R. E., Gittleson, F. S., Templeton, J. A., & Ward, D. K. (2017). A simple model for interpreting the reaction–diffusion characteristics of Li-air batteries. Journal of The Electrochemical Society, 164(1), A6422–A6430. https://doi.org/10.1149/2.0641701jes
Jerliu, B., Hüger, E., Horisberger, M., Stahn, J., & Schmidt, H. (2017). Irreversible lithium storage during lithiation of amorphous silicon thin film electrodes studied by in-situ neutron reflectometry. Journal of Power Sources, 359, 415–421. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2017.05.095
Латвинський В. Д., Багач Р. В. (2024). Дослі-дження літій-іонних батарей для експлуатації електромобілями при різних температурних умовах. Наукові праці ДонНТУ. Серія: Елек-тротехніка і енергетика, (1), 58–64. Latvynskyi, V. D., & Bahach, R. V. (2024). Doslidzhennia litiiionnykh batarei dlia ekspluatatsii elektromobiliamy pry riznykh temperaturnykh umovakh (Study of lithium-ion batteries for electric vehicle operation under different temperature conditions). Naukovi pratsi DonNTU. Seriia: Elektrotekhnika i enerhetyka, (1), 58–64. https://doi.org/10.31474/2074-2630-2024-1-58-64
Латвинський В., Багач Р., Плахтій О., Запорі-зький В. (2025). Дослідження та оптимізація температурного режиму літій-іонних акуму-ляторів у складі тягової батареї електромобі-ля. Автомобіль і електроніка. Сучасні техно-логії, (27), 99–109. Latvynskyi, V., Bahach, R., Plakhtii, O., & Zaporizkyi, V. (2025). Doslidzhennia ta optymizatsiia temperaturnoho rezhymu litii-ionnykh akumuliatoriv u skladi tiahovoi batarei elektromobilia (Research and optimization of the thermal regime of lithium-ion batteries as part of an electric vehicle traction battery). Avtomobil i elektronika. Suchasni tekhnolohii, (27), 99–109. https://doi.org/10.30977/VEIT.2025.27.0.7
Feng, X., Ouyang, M., Liu, X., Lu, L., Xia, Y., & He, X. (2018). Thermal runaway mechanism of lithium ion battery for electric vehicles: A review. Energy Storage Materials, 10, 246–267. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2017.05.013
Wang, Q., Jiang, B., Li, B., & Yan, Y. (2016). A critical review of thermal management models and solutions of lithium-ion batteries for the development of pure electric vehicles. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 64, 106–128. https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.05.033
Liu, K., Li, K., Peng, Q., & Zhang, C. (2019). A brief review on key technologies in the battery management system of electric vehicles. Frontiers of Mechanical Engineering, 14(1), 47–64. https://doi.org/10.1007/s11465-018-0516-8
Латвинський В. Д., Багач Р. В. (2024). Порів-няльний аналіз характеристик тягових аку-муляторів для сучасних електромобілів. Су-часне автомобілебудування, автотехнічна експертиза, експлуатація автомобільного транспорту та підготовка фахівців галузі транспорту: збірник тез доповідей Міжнар. наук.-практ. конф., 267–271. Latvynskyi, V. D., & Bahach, R. V. (2024). Porivnialnyi analiz kharakterystyk tiahovykh akumuliatoriv dlia suchasnykh elektromobiliv (Comparative analysis of traction battery characteristics for modern electric vehicles). In Suchasne avtomobilobuduvannia, avtotekhnichna ekspertyza, ekspluatatsiia avtomobilnoho transportu ta pidhotovka fakhivtsiv haluzi transportu: Proceedings of the International Scientific and Practical Conference (267–271). Kharkivskyi natsionalnyi avtomobilnodorozhnii universytet. https://api.dspace.khadi.kharkov.ua/server/api/core/bitstreams/2462be2b-bfa3-4347-8dc9-223b5b385034/content
Hannan, M. A., Lipu, M. H., Hussain, A., & Mohamed, A. (2017). A review of lithium-ion battery state of charge estimation and management system in electric vehicle applications: Challenges and recommendations. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 78, 834–854. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.05.001
Edge, J. S., O’Kane, S., Prosser, R., Kirkaldy, N. D., Patel, A. N., Hales, A., ... & Offer, G. J. (2021). Lithium ion battery degradation: what you need to know. Physical Chemistry Chemical Physics, 23(14), 8200–8221. https://doi.org/10.1039/D1CP00359C
Багач Р. В., Латвинський В. Д. (2025). Гібрид-не охолодження електроніки електромобілів. Енергетичні установки та альтернативні джерела енергії: збірник тез та доповідей міжнар. наук.-практ. конф., 68–71. Bahach, R. V., & Latvynskyi, V. D. (2025). Hibrydne okholodzhennia elektroniky elektromobiliv (Hybrid cooling of electric vehicle electronics). Energetychni ustanovky ta alternaltyvni dzherela energii: Zbirnyk tez ta dopovidei mizhnarodnoi naukovo-praktychnoi konferentsii, 68–71. FOP Brovin O.V. https://drive.google.com/file/d/17Uv3z8IL3sH70O1CzYdh5EVjd8cBt8qN/view
Багач Р. В., Нетребенко О. В. (2024). Тенден-ції та майбутнє систем контролю літійіонних батарей. Автомобіль і електроніка. Сучасні технології: збірка матеріалів ІХ Міжнар. на-ук.-техн. Інтернет-конф., 41–43. Bahach, R. V., & Netrebenko, O. V. (2024). Tendentsii ta maibutnie system kontroliu litii-ionnykh batarei (Trends and future of lithium-ion battery management systems). In Avtomobil i elektronika. Suchasni tekhnolohii: Proceedings of the IX International Scientific and Technical Online Conference (pp. 41–43). Kharkivskyi natsionalnyi avtomobilno-dorozhnii universytet.
He, C., Wei, Y., Liu, Y., Yu, H., Zhang, X., Yun, H., ... & Bi, X. (2025). Comparative life cycle assessment of wood pellet supply chains: Evaluating torrefaction, hydrothermal carbonization and steam explosion pre-treatment pathways. Renewable Energy, Article 124993. https://doi.org/10.1016/j.renene.2025.124993
Pérez-Denicia, E., Fernández-Luqueño, F., Vilariño-Ayala, D., Montaño-Zetina, L. M., & Maldonado-López, L. A. (2017). Renewable energy sources for electricity generation in Mexico: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 78, 597–613. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.05.008
Fan, Y., Zhan, D., Tan, X., Lyu, P., & Rao, J. (2021). Optimization of cooling strategies for an electric vehicle in high-temperature environment. Applied Thermal Engineering, 195, Article 117088. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2021.117088
Mallick, S. S., Neog, S., Mahanta, D. K., & Rafi, M. (2021). A review on passive cooling techniques for lithium-ion battery thermal management system of electric vehicle. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 1145(1), Article 012046. https://doi.org/10.1088/1757-899X/1145/1/012046
Saechan, P., Dhuchakallaya, I., & Saat, F. A. Z. M. (2023). Thermal performance improvement of forced-air cooling system combined with liquid spray for densely packed batteries of electric vehicle. Engineered Science, 24(4), 886–895. https://doi.org/10.30937/2575-6478/2023/24/4
Wang, B., Ou, Y., Wang, P., Li, Z., Zhang, Y., Zhang, X., & He, X. (2022). An analysis of Li-ion traction battery system thermal simulation based on simplified pipeline fluid model and liquid cooling enhancement. Journal of Physics: Conference Series, 2399(1), Article 012035. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2399/1/012035
Xie, Y., Wang, X., Hu, X., Li, W., Zhang, Y., & Lin, X. (2021). An enhanced electro-thermal model for EV battery packs considering current distribution in parallel branches. IEEE Transactions on Power Electronics, 37(1), 1027–1043. https://doi.org/10.1109/TPEL.2021.9508844
Буряківський В. А. (2024). Аналітичне дослі-дження впливу температурних режимів тяго-вих батарей електромобілів на їх ефектив-ність. Сучасне автомобілебудування, автоте-хнічна експертиза, експлуатація автомобіль-ного транспорту: зб. тез доп. Міжнар. наук.-практ. конф., 235–237. Buriakivskyi, V. A. (2024). Analitychne doslidzhennia vplyvu temperaturnykh rezhymiv tiahovykh batarei elektromobiliv na yikh efektyvnist (Analytical study of the impact of temperature regimes of electric vehicle traction batteries on their efficiency). Suchasne avtomobilobuduvannia, avtotekhnichna ekspertyza, ekspluatatsiia avtomobilnoho transportu: zb. tez dop. Mizhnar. nauk.-prakt. konf., 235–237. https://dspace.khadi.kharkov.ua/handle/123456789/24035
Harper, G., Sommerville, R., Kendrick, E., Driscoll, L., Slater, P., Stolkin, R., ... & Anderson, P. (2019). Recycling lithium-ion batteries from electric vehicles. Nature, 575(7781), 75–86. https://doi.org/10.1038/s41586-019-1682-5
Stroe, D. I., Swierczynski, M., Stroe, A. I., & Knudsen Kær, S. (2016). Generalized characterization methodology for performance modelling of lithium-ion batteries. Batteries, 2(4), Article 37 https://doi.org/10.3390/batteries2040037
Li, M., Lu, J., Chen, Z., & Amine, K. (2018). 30 years of lithium‐ion batteries. Advanced Materials, 30(33), Article 1800561. https://doi.org/10.1002/adma.201800561
Zubi, G., Dufo-López, R., Carvalho, M., & Pasaoglu, G. (2018). The lithium-ion battery: State of the art and future perspectives. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 89 backstage, 292–308. https://doi.org/10.1016/j.rser.2018.03.002
Dijoux, E., Steiner, N. Y., Benne, M., Péra, M. C., & Pérez, B. G. (2017). A review of fault tolerant control strategies applied to proton exchange membrane fuel cell systems. Journal of Power Sources, 359, 119–133. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2017.05.051
Adebanjo, I. T., Eko, J., Agbeyegbe, A. G., Yuk, S. F., Cowart, S. V., Nagelli, E. A., ... & Sun, H. H. (2025). A comprehensive review of lithium-ion battery components degradation and operational considerations: a safety perspective. Energy Advances, 4(7), 820–877. https://doi.org/10.1039/D5YA00065C
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2026 Владислав Латвинський, Руслан Багач, Олександр Плахтій, Костянтин Іллєнко
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
1. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
2. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
3. Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи.
