基本介紹
- 中文名：電池溫度
- 外文名：Battery temperature
- 產生原因：自身積累熱量無法散失
- 緩解措施：改變電解液配伍、電極材料等
電池熱研究,影響因素,熱箱溫度,熱交換係數,熱輻射,電池大小,荷電狀態,解決途徑,
電池熱研究
對鋰離子電池的模擬可以進一步理解鋰離子電池熱失控的起因和過程，為鋰離子電池安全性的提高提供參考。鋰離子電池模擬的方法有很多，主要分為電化學模擬和熱模擬兩類：一類是基於物質，電荷的擴散守恆，能量守恆建立的模型，主要模擬不同條件下電池的充放電過程。這類鋰電池的模型在等溫電化學模型上的鋰/鋰離子電池模型模擬電池的靜態放電過程，多孔電極理論，利用巨觀均相來近似描述固相和溶液間的各種可能的變化；濃溶液理論，溶液中的物質平衡和傳遞；球坐標下的Fick擴散方程描述固相中的物質平衡和擴散；能量守恆來計算電池的溫度；發展了一個幾乎適應於所有鋰電池系統的一維模型；另一類是基於電池材料，電池的熱性質實驗，對鋰離子電池的模擬可以進一步理解鋰離子電池熱失控的起因和過程，為鋰離子電池安全性的提高提供參考。
鋰離子電池模擬的方法有很多，主要分為電化學模擬和熱模擬兩類：一類是基於物質，電荷的擴散守恆，能量守恆建立的模型，主要模擬不同條件下電池的充放電過程。這類鋰電池的模型在等溫電化學模型上的鋰/鋰離子電池模型模擬電池的靜態放電過程，多孔電極理論，利用巨觀均相來近似描述固相和溶液間的各種可能的變化；濃溶液理論，溶液中的物質平衡和傳遞；球坐標下的Fick擴散方程描述固相中的物質平衡和擴散；能量守恆來計算電池的溫度；發展了一個幾乎適應於所有鋰電池系統的一維模型；另一類是基於電池材料，電池的熱性質實驗。
影響因素
鋰離子電池在熱箱實驗中的熱穩定性可以直接反映電池的安全性。通過鋰離子電池的熱模擬可以研究各種因素對電池熱行為的影響。
熱箱溫度
圖1給出了設定模擬的鋰離子電池在423K熱箱實驗到達446K時的溫度分布圖。圖2給出了不同熱箱溫度時鋰離子電池溫度的變化。可以看出對於設定的鋰離子電池在423K溫度下，電池發生了自放熱反應，但是由於電池和外界的熱量傳遞，自放熱反應產生的熱量只是把電池溫度升高，而不能應發電池的熱失控反應；當熱箱溫度升到428K時，由於電池自放熱速率的加快，是電池內部熱量積累速率加快，電池的溫度不斷升高，最終出現了電池的熱失控。當熱箱溫度上升到433K時，電池的自放熱速率加快，熱累積速度也更快，電池的熱失控也更快出現。
圖1 鋰離子電池三維溫度分布圖
圖2 不同熱箱溫度是鋰離子電池的 溫度變化曲線圖熱交換係數
鋰離子電池自放熱反應產生的熱量和速率由電池材料本身的性質決定，而電池內部熱量的積累狀況還必須考慮電池和外界的熱量傳遞，熱交換的效率直接影響電池熱量的積累。電池和外界的熱交換係數對電池溫度的影響。當熱交換係數增大時，開始階段外部熱量向電池內部的傳遞加快，電池溫度上升的速率增加，到達熱箱溫度所用的時間變短，但是電池自放熱產生的熱量也迅速地傳遞到外界，減少了電池內部熱量的積累，抑制或減少了電池溫度的升高，使電池更難進入熱失控狀態；反之，熱交換係數減小時，電池和外界的熱量傳遞變慢，開始階段電池的溫度上升速度變慢，達到熱箱溫度所需的時間變長，但是電池自放熱產生的熱量在電池內部積累速度變大，造成電池內部溫度的加速上升，當熱量的積累達到臨界時，引發了電池的熱失控反應。熱交換係數越小，從到達熱箱溫度到電池熱失控所需要的時間越短。電池的熱交換係數與電池外殼的材質，外表面狀態和外界空氣的流動有關，周圍空氣流動速度越快，電池的熱交換係數越大。因此大體積的動力鋰離子電池組中需要散熱裝置提高各單體電池周圍空氣的流動速度。
熱輻射
電池和外界的熱量交換效率還受到電池外殼熱輻射的影響。熱輻射傳熱速率和溫度的四次冪呈線性關係，熱輻射的引入會改變電池的溫度。熱輻射加快了電池與外界的熱量傳遞，使電池到達熱箱溫度的時間變短，抑制了電池內部的熱量積累。因此大體積的動力鋰離子電池在設計時，需要對電池外殼進行加工處理，提高其熱輻射係數。
電池大小
電池和外界的熱量交換是通過表面進行的，而電池自放熱產生的總熱量與電池的大小直接相關。一般來說，電池越大，表面積所占的比例就越小[圓柱電池時，比表面積/體積=2*(1/h+1/r)。式中：h指高度；r指半徑。方形電池時，比表面積/體積=2*（1/a+1/b+1/c)。式中：a、b、c分別指長、寬、高]，電池內部產生的熱量越不容易擴散到外界環境。圖5給出了不同大小的鋰離子電池在423 K熱箱條件下，電池的溫度變化，可以看出，隨著電池的變大，電池達到熱箱溫度所需時間增加，但是，由於電池內部放熱量的增加，電池溫度上升的幅度增大，引發電池熱失控的可能性增大。當熱箱溫度為423 K時，6層正極的模型電池幾乎沒有引起電池溫度的上升；12層正極的模型電池出現的溫度上升幅度為23 K；18層正極的模型電池則引發了熱失控反應。因此，為電池安全性考慮，在電池設計時，需要根據所選定材料的熱參數確定該類單體電池的最小比例，以及何時的電池形狀。
荷電狀態
鋰離子電池的荷電狀態（SOC）描述了電池儲能量的多少，從熱力學角度看，電池內部的儲能越多，材料所處的能量狀態越高，熱穩定越差，達到穩定態過程所釋放的能量也越多。可以看出電池在半電狀態時，內部產熱造成的電池溫度升高幅度較小，引發熱失控的可能性變小，電池的熱穩定性較好。
解決途徑
通過鋰離子電池熱模型，模擬研究了熱箱溫度，熱交換係數，電池大小以及電池荷電狀態對電池溫度變化的影響，結果表明：熱箱溫度越高，鋰離子電池熱失控的危險越大；增大熱交換係數，減小電池容量和降低電池荷電狀態使電池的熱穩定性提高。
絕熱條件下的模擬結果表明：在封閉環境下，鋰離子電池達到368 K後就有一定的危險性存在。材料反應速率和升溫速率模擬結果表明：處在不同溫度的鋰離子電池熱效應主要來源不同，正極/電解液分解反應和電解液分解反應是造成電池熱失控的主要原因。
對於其他類型電池而言，可以參見相關專業書籍 。
