對60v鋰電池發(fā)熱特性的研究

【摘要】 鋰電池發(fā)熱特性的研究對于發(fā)展電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)具有重要意義.本文采用數(shù)值方法對60v鋰電池放電過程中的微觀發(fā)熱特性進(jìn)行了研究,并對鋰電池放電循環(huán)過程中固體電解質(zhì)(SEI)膜和歐姆熱的變化規(guī)律進(jìn)行了分析,研究結(jié)果 表明:鋰電池以高倍率(>5C)放電時(shí),SEI膜產(chǎn)生的熱量是鋰電池發(fā)熱的重要部分;隨著放電循環(huán)的進(jìn)行,60v鋰電池負(fù)極顆粒表面SEI膜以線性規(guī)律增厚,導(dǎo)致電池SEI膜電阻不斷增大;鋰電池放電環(huán)境溫度越高,鋰電池負(fù)極SEI膜增厚越快,容量衰退越快。

60v鋰電池具有較高的比能量、放電電壓和較好的循環(huán)壽命等優(yōu)點(diǎn)， 被認(rèn)為是純電動(dòng)汽車（EV) 和混合電動(dòng)汽車（HEV) 的最佳儲能設(shè)備之一。熱管理系統(tǒng)是保證大功率鋰電池組安全運(yùn)行的核心技術(shù)之一， 溫度太高會(huì)導(dǎo)致鋰電池面體電解質(zhì)（SEI) 膜的破壞， 從而縮短電池循環(huán)壽命， 并可能引起電池爆炸等安全問題。因此， 研究復(fù)雜工況條件下鋰電池工作的熱特性是開發(fā)電池?zé)峥丶夹g(shù)的基礎(chǔ)， 對于發(fā)展動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)具有重要的科學(xué)指導(dǎo)意義。
目前， 對于鋰電池發(fā)熱特性的研究， 主要采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)分析。在等Doyle提出的電化學(xué)模型和等bernardi提出的電池能量方程的基礎(chǔ)上， 國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)發(fā)展了多個(gè)鋰電池?zé)犭婑詈夏Ｐ停?如采用熱電耦合模型計(jì)算了鋰池在不同溫度下的放電特性， 并且分析了與溫度相關(guān)的參數(shù)對鋰電池放電特性的影響。
和采用熱電耦合模型對卷繞式鋰離子電池的溫度進(jìn)行了計(jì)算， 并對其內(nèi)部不同熱源的發(fā)熱量進(jìn)行了詳細(xì)分析。j.vazquez-arenas等采用熱電耦合模型對方形鋰離子電池進(jìn)行了模擬， 研究了電池溫度對其放電特性和鋰離子濃度分布的影響， 并對電池內(nèi)部不同熱源的發(fā)熱量進(jìn)行了定量分析。目前大多數(shù)文獻(xiàn)有關(guān)鋰電池?zé)崽匦缘难芯烤�采用熱電耦合模型�?但很少考慮到鋰電池的容量衰退問題。鋰電池在充放電循環(huán)過程中， 負(fù)極膜會(huì)由于的沉積逐漸增厚導(dǎo)致鋰電池內(nèi)阻增大， 從而會(huì)引起鋰電池發(fā)熱率的顯著增加。等在鋰電池的熱電耦合模型中考慮了循環(huán)衰退問題， 分析了溫度對鋰電池容量衰退的影響， 但是其對鋰電池的容量衰退過程采用由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合函數(shù)， 建立的模型和研究結(jié)果僅適用于其研究的特定鋰電池， 缺乏通用性。等提出了包括鋰電池容量衰退過程的熱電耦合模型， 但其采用的正極活性物質(zhì)的溶解僅在鋰錳電池中較為明顯， 不適用于鈷酸鋰和鐵鋰電池， 而且該研究未給出鋰電池循環(huán)過程中的熱量變化特性。
本文將同時(shí)考慮鋰電池循環(huán)過程中的放電特性、熱量特性和衰退過程， 對鋰電池在充放電循環(huán)過程中的熱量組成和熱量變化特性進(jìn)行數(shù)值研究。

本文應(yīng)用60v裡電池的熱電稱合模型， 并考慮了電池循環(huán)衰退過程中SEI膜的變化對電池產(chǎn)生熱量的影響， 詳細(xì)分析了鋰電池在循環(huán)過程中的熱量變化及溫度對鋰電池壽命的影響， 得出如下結(jié)論：
1、在60v鋰電池的高倍率（>5C）放電過程中，SEI膜產(chǎn)生的熱量是鋰電池發(fā)熱量的重要組成部分， 占總熱量的比率將超過14%；
2、隨著放電循環(huán)的進(jìn)行， 鋰電池負(fù)極SEI膜將逐漸增厚， 且放電環(huán)境溫度越高，SEI 膜增長越快，容量衰退越快；
3、SEI膜的厚度和電阻隨放電循環(huán)次數(shù)的增大近似呈線性增大；
4、60v鋰電池放電過程中的SEI膜產(chǎn)生的熱量和溫升將隨放電循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增大。

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