中國儲能網(wǎng)訊：鋰離子電池廣泛用于消費電子設備、動力電池系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)，不僅如此，鋰離子電池更是動力電池系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)的“心臟”部件，對電池系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)的來說，鋰離子電池特質(zhì)直接決定了系統(tǒng)的安全、壽命和可靠等關(guān)鍵參數(shù)。
而鋰離子電池使用過程中的產(chǎn)熱和溫升又是鋰離子電池十分重要的一個特質(zhì)，它對鋰離子電池的安全、壽命、功率性、可靠性產(chǎn)生了十分重要的影響，因此，有必要從原理上對鋰離子電池的產(chǎn)熱特性和溫升特性進行研究，進而為電池設計和電池系統(tǒng)熱管理設計提供基礎。
本文首先從原理上對鋰離子電池使用過程中的產(chǎn)熱和溫升進行分析，然后利用數(shù)值方法對某款鋰離子電池不同倍率的產(chǎn)熱過程和溫升過程進行仿真分析。
一、鋰離子電池使用過程中的產(chǎn)熱和溫升原理
1、產(chǎn)熱過程
鋰離子電池的產(chǎn)熱過程可以由式(1)來表述，其中為總產(chǎn)熱量，下面筆者將對式(1)右側(cè)的表達式進行逐一拆解，對產(chǎn)熱過程進行理論分析。
(a)不可逆熱
鋰離子電池使用過程，需要消耗一定的能量用于驅(qū)動電化學反應，這部分能量最終會變成電池的產(chǎn)熱，這部分熱稱為不可逆熱。不可逆熱由鋰離子電池的電流和過電勢決定，如式(2)所示。
(b)可逆熱
鋰離子電池的電化學反應伴隨著鋰離子在活性顆粒中脫嵌，這種脫嵌伴隨著活性顆粒晶粒結(jié)構(gòu)的改變，這種晶粒結(jié)構(gòu)的改變自然會出現(xiàn)放熱和吸熱現(xiàn)象，這部分熱量稱為可逆熱，如式(3)所示。
(c)電子傳輸熱
自由電子在導電體中定向運動形成電流并傳遞電能，同時也會產(chǎn)熱一定的熱量，這部分熱量稱為電子傳輸熱，其表達如式(4)所示。
(d)離子傳輸熱
鋰離子在電解液中擴散、遷移和對流時會傳遞電能，同時也會產(chǎn)熱一定的熱量，這部分熱量稱為離子傳輸熱，其表達如式(5)所示。
(e)接觸熱阻產(chǎn)熱
鋰離子電池內(nèi)部存在著很多的接觸，電流流過這些接觸時會產(chǎn)生一部分的熱量，其表達如式(6)所示。相對于其它產(chǎn)熱來說，接觸熱阻產(chǎn)熱比較小，一般可以忽略不計。
2、溫升過程
鋰離子電池使用過程中產(chǎn)生的熱量，為鋰離子電池的溫升提供了熱源，式(7)描述了鋰離子電池的溫升過程。T為電池的溫度，q為熱源，
為電池內(nèi)部的導熱過程。
二、產(chǎn)熱和溫升的數(shù)值模擬
清楚了鋰離子電池的產(chǎn)熱過程和溫升過程之后，需要對產(chǎn)熱量和溫升值進行計算。對產(chǎn)熱量進行計算和分解，不僅可以從電池設計階段進行熱管理，還可以基于總的產(chǎn)熱量進行系統(tǒng)級的熱管理設計。
圖2和圖3是利用數(shù)值模擬方法計算出來的電池產(chǎn)熱和溫度，圖2是某款電池不同倍率的產(chǎn)熱量和溫度數(shù)據(jù)，圖3為不同產(chǎn)熱過程的產(chǎn)熱量分解，從圖中可以看出，當放電倍率較小時，不可逆熱較大但并不占主導，當倍率較大時，不可逆熱占主導。此外，電池放電后期的產(chǎn)熱主要是由不可逆熱貢獻的。
圖2 不同倍率的產(chǎn)熱量和溫度(數(shù)值模擬)
圖3 不同產(chǎn)熱過程的產(chǎn)熱量分解(數(shù)值模擬)
