中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：鋰離子電池廣泛用于消費(fèi)電子設(shè)備、動(dòng)力電池系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)，不僅如此，鋰離子電池更是動(dòng)力電池系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)的“心臟”部件，對(duì)電池系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)的來(lái)說(shuō)，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(guò)程中的產(chǎn)熱和溫升又是鋰離子電池十分重要的一個(gè)特質(zhì)，它對(duì)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(duì)鋰離子電池的產(chǎn)熱特性和溫升特性進(jìn)行研究，進(jìn)而為電池設(shè)計(jì)和電池系統(tǒng)熱管理設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。
本文首先從原理上對(duì)鋰離子電池使用過(guò)程中的產(chǎn)熱和溫升進(jìn)行分析，然后利用數(shù)值方法對(duì)某款鋰離子電池不同倍率的產(chǎn)熱過(guò)程和溫升過(guò)程進(jìn)行仿真分析。
一、鋰離子電池使用過(guò)程中的產(chǎn)熱和溫升原理
1、產(chǎn)熱過(guò)程
鋰離子電池的產(chǎn)熱過(guò)程可以由式(1)來(lái)表述，其中為總產(chǎn)熱量，下面筆者將對(duì)式(1)右側(cè)的表達(dá)式進(jìn)行逐一拆解，對(duì)產(chǎn)熱過(guò)程進(jìn)行理論分析。
(a)不可逆熱
鋰離子電池使用過(guò)程，需要消耗一定的能量用于驅(qū)動(dòng)電化學(xué)反應(yīng)，這部分能量最終會(huì)變成電池的產(chǎn)熱，這部分熱稱(chēng)為不可逆熱。不可逆熱由鋰離子電池的電流和過(guò)電勢(shì)決定，如式(2)所示。
(b)可逆熱
鋰離子電池的電化學(xué)反應(yīng)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(huì)出現(xiàn)放熱和吸熱現(xiàn)象，這部分熱量稱(chēng)為可逆熱，如式(3)所示。
(c)電子傳輸熱
自由電子在導(dǎo)電體中定向運(yùn)動(dòng)形成電流并傳遞電能，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)熱一定的熱量，這部分熱量稱(chēng)為電子傳輸熱，其表達(dá)如式(4)所示。
(d)離子傳輸熱
鋰離子在電解液中擴(kuò)散、遷移和對(duì)流時(shí)會(huì)傳遞電能，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)熱一定的熱量，這部分熱量稱(chēng)為離子傳輸熱，其表達(dá)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(guò)這些接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生一部分的熱量，其表達(dá)如式(6)所示。相對(duì)于其它產(chǎn)熱來(lái)說(shuō)，接觸熱阻產(chǎn)熱比較小，一般可以忽略不計(jì)。
2、溫升過(guò)程
鋰離子電池使用過(guò)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(guò)程。T為電池的溫度，q為熱源，
為電池內(nèi)部的導(dǎo)熱過(guò)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(guò)程和溫升過(guò)程之后，需要對(duì)產(chǎn)熱量和溫升值進(jìn)行計(jì)算。對(duì)產(chǎn)熱量進(jìn)行計(jì)算和分解，不僅可以從電池設(shè)計(jì)階段進(jìn)行熱管理，還可以基于總的產(chǎn)熱量進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的熱管理設(shè)計(jì)。
圖2和圖3是利用數(shù)值模擬方法計(jì)算出來(lái)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(guò)程的產(chǎn)熱量分解，從圖中可以看出，當(dāng)放電倍率較小時(shí)，不可逆熱較大但并不占主導(dǎo)，當(dāng)倍率較大時(shí)，不可逆熱占主導(dǎo)。此外，電池放電后期的產(chǎn)熱主要是由不可逆熱貢獻(xiàn)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(guò)程的產(chǎn)熱量分解(數(shù)值模擬)
