材料穩(wěn)定性對鋰電池?zé)崾Э赜绊?/h1>
2019-10-21 10:22涂超
汽車實用技術(shù) 2019年4期 關(guān)鍵詞：電池
涂超
摘 要：為了提高鋰離子動力電池使用安全性，減少因電池?zé)崾Э匾l(fā)的電動汽車安全事故。文章建立了鋰離子電池?zé)崾Э啬Ｐ?，仿真分析材料熱穩(wěn)定性對熱失控影響分析。當(dāng)正極材料和電解液的分解溫度較低時（170℃/200℃），不論傳熱系數(shù)為5W/m2/K還是10W/m2/K，電池均發(fā)生了熱失控現(xiàn)象。而正極材料和電解液的分解溫度較高時，均未出現(xiàn)熱失控的現(xiàn)象。
關(guān)鍵詞：電池;材料穩(wěn)定性;熱失控
中圖分類號：TM912? 文獻標(biāo)識碼：A? 文章編號：1671-7988（2019）04-13-02
CLC NO.： TM912? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2019）04-13-02
前言
電動汽車以動力電池為主要能量源，其發(fā)展和應(yīng)用在很大程度上受動力電池性能影響[1]。鋰離子電池研發(fā)至今，相比于其他類型動力電池具有良好的性能，應(yīng)用越來越廣泛[2，3]。但是鋰離子電池對溫度較為敏感，溫度過高時極易出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象，引發(fā)安全事故。在外部高溫下，由于鋰離子電池結(jié)構(gòu)的特性，SEI膜、電解液發(fā)生分解反應(yīng)，電解液的分解物還會與正極、負(fù)極發(fā)生反應(yīng)，電芯隔膜將融化分解，多種反應(yīng)導(dǎo)致大量熱量的產(chǎn)生。隔膜融化導(dǎo)致內(nèi)部短路，電能的釋放又增大了熱量的生產(chǎn)。這種互相增強的破壞作用，導(dǎo)致電芯防爆膜破裂，電解液噴出，發(fā)生燃燒起火。熱失控導(dǎo)致的安全事故無疑給人們的生命財產(chǎn)安全造成極大的打擊[4]。因此，為避免鋰離子電池?zé)岚踩詥栴}，促進其在電動汽車上的廣泛使用和加快電動汽車的普及，對鋰離子電池?zé)崾Э剡M行研究顯得尤為重要。
1 鋰離子電池工作原理
鋰離子電池的工作過程實際上是Li+在電池的兩個電極中可逆地進行脫出和嵌入的的過程。Li+在正負(fù)極之間來回脫出和嵌入構(gòu)成了電池的充電和放電過程。電池充電時，Li+首先從正極脫出，自由通過隔膜并經(jīng)過電解液的輸運嵌入到負(fù)極。在此過程中，正極因Li+的不斷脫出處于貧鋰狀態(tài)，負(fù)極則因Li+的不斷嵌入處于富鋰狀態(tài)。充電容量隨負(fù)極嵌入鋰的增多而升高。由于兩個電極之間存在鋰濃度差，為使其保持電平衡，在充電過程中外電路向負(fù)極提供補償電子。電池放電時，Li+首先從負(fù)極脫出，在電解質(zhì)輸送下到達隔膜并自由穿過，而后通過電解液的輸送嵌入到電池正極。
3 仿真結(jié)果與分析
本文在傳熱系數(shù)分別為5W/m2/K和10W/m2/K的條件下，針對正極材料和電解液不同熱穩(wěn)定性的情況進行了仿真，具體如圖1所示。
圖1（a）和圖1（b）分別為爐溫為165℃、傳熱系數(shù)為5W/m2/K和10W/m2/K的條件下，正極/電解液的分解溫度分別為170℃/200℃以上和200℃/220℃時鋰離子電池?zé)崾Э氐姆抡娼Y(jié)果。由圖可知，當(dāng)正極材料和電解液的分解溫度較低時（170℃/200℃），不論傳熱系數(shù)為5W/m2/K還是10W/m2/K，電池均發(fā)生了熱失控現(xiàn)象。而正極材料和電解液的分解溫度較高時，在兩種傳熱系數(shù)下電池溫度上升趨勢緩慢，逐漸升高至外界溫度后保持不變，均未出現(xiàn)熱失控的現(xiàn)象。由此可以說明組成電池材料的熱穩(wěn)定性越高，電池越不容易發(fā)生熱失控。
4 結(jié)論
本文針對電池?zé)崾Э?，利用COMSOL軟件建立了NCM三元鋰電池三維熱濫用模型，針對正極材料和電解液不同熱穩(wěn)定性的情況進行了仿真。通過仿真分析得出：當(dāng)正極材料和電解液的分解溫度較低時（170℃/200℃），不論傳熱系數(shù)為5W/m2/K還是10W/m2/K，電池均發(fā)生了熱失控現(xiàn)象。而正極材料和電解液的分解溫度較高時，均未出現(xiàn)熱失控的現(xiàn)象。組成電池材料的熱穩(wěn)定性越高，電池越不容易發(fā)生熱失控。
參考文獻
[1] 劉霏霏等.基于動態(tài)內(nèi)熱源特性的車用鋰離子動力電池溫度場仿真及試驗[J].機械工程學(xué)報，2016， 52（08）： 141-151.
[2] Wen Y，Zhang W，Lu J. The establishment of safety indicator set of lithium-ion battery and its management system[C].Prognostics and System Health Management Conference. IEEE，2016： 1-7.
[3] 歐陽陳志，梁波.鋰離子動力電池?zé)岚踩匝芯窟M展[J].電源技術(shù)， 2014，38（2）： 382-385.
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涂超
摘 要：為了提高鋰離子動力電池使用安全性，減少因電池?zé)崾Э匾l(fā)的電動汽車安全事故。文章建立了鋰離子電池?zé)崾Э啬Ｐ?，仿真分析材料熱穩(wěn)定性對熱失控影響分析。當(dāng)正極材料和電解液的分解溫度較低時（170℃/200℃），不論傳熱系數(shù)為5W/m2/K還是10W/m2/K，電池均發(fā)生了熱失控現(xiàn)象。而正極材料和電解液的分解溫度較高時，均未出現(xiàn)熱失控的現(xiàn)象。
關(guān)鍵詞：電池;材料穩(wěn)定性;熱失控
中圖分類號：TM912? 文獻標(biāo)識碼：A? 文章編號：1671-7988（2019）04-13-02
CLC NO.： TM912? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2019）04-13-02
前言
電動汽車以動力電池為主要能量源，其發(fā)展和應(yīng)用在很大程度上受動力電池性能影響[1]。鋰離子電池研發(fā)至今，相比于其他類型動力電池具有良好的性能，應(yīng)用越來越廣泛[2，3]。但是鋰離子電池對溫度較為敏感，溫度過高時極易出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象，引發(fā)安全事故。在外部高溫下，由于鋰離子電池結(jié)構(gòu)的特性，SEI膜、電解液發(fā)生分解反應(yīng)，電解液的分解物還會與正極、負(fù)極發(fā)生反應(yīng)，電芯隔膜將融化分解，多種反應(yīng)導(dǎo)致大量熱量的產(chǎn)生。隔膜融化導(dǎo)致內(nèi)部短路，電能的釋放又增大了熱量的生產(chǎn)。這種互相增強的破壞作用，導(dǎo)致電芯防爆膜破裂，電解液噴出，發(fā)生燃燒起火。熱失控導(dǎo)致的安全事故無疑給人們的生命財產(chǎn)安全造成極大的打擊[4]。因此，為避免鋰離子電池?zé)岚踩詥栴}，促進其在電動汽車上的廣泛使用和加快電動汽車的普及，對鋰離子電池?zé)崾Э剡M行研究顯得尤為重要。
1 鋰離子電池工作原理
鋰離子電池的工作過程實際上是Li+在電池的兩個電極中可逆地進行脫出和嵌入的的過程。Li+在正負(fù)極之間來回脫出和嵌入構(gòu)成了電池的充電和放電過程。電池充電時，Li+首先從正極脫出，自由通過隔膜并經(jīng)過電解液的輸運嵌入到負(fù)極。在此過程中，正極因Li+的不斷脫出處于貧鋰狀態(tài)，負(fù)極則因Li+的不斷嵌入處于富鋰狀態(tài)。充電容量隨負(fù)極嵌入鋰的增多而升高。由于兩個電極之間存在鋰濃度差，為使其保持電平衡，在充電過程中外電路向負(fù)極提供補償電子。電池放電時，Li+首先從負(fù)極脫出，在電解質(zhì)輸送下到達隔膜并自由穿過，而后通過電解液的輸送嵌入到電池正極。
3 仿真結(jié)果與分析
本文在傳熱系數(shù)分別為5W/m2/K和10W/m2/K的條件下，針對正極材料和電解液不同熱穩(wěn)定性的情況進行了仿真，具體如圖1所示。
圖1（a）和圖1（b）分別為爐溫為165℃、傳熱系數(shù)為5W/m2/K和10W/m2/K的條件下，正極/電解液的分解溫度分別為170℃/200℃以上和200℃/220℃時鋰離子電池?zé)崾Э氐姆抡娼Y(jié)果。由圖可知，當(dāng)正極材料和電解液的分解溫度較低時（170℃/200℃），不論傳熱系數(shù)為5W/m2/K還是10W/m2/K，電池均發(fā)生了熱失控現(xiàn)象。而正極材料和電解液的分解溫度較高時，在兩種傳熱系數(shù)下電池溫度上升趨勢緩慢，逐漸升高至外界溫度后保持不變，均未出現(xiàn)熱失控的現(xiàn)象。由此可以說明組成電池材料的熱穩(wěn)定性越高，電池越不容易發(fā)生熱失控。
4 結(jié)論
本文針對電池?zé)崾Э?，利用COMSOL軟件建立了NCM三元鋰電池三維熱濫用模型，針對正極材料和電解液不同熱穩(wěn)定性的情況進行了仿真。通過仿真分析得出：當(dāng)正極材料和電解液的分解溫度較低時（170℃/200℃），不論傳熱系數(shù)為5W/m2/K還是10W/m2/K，電池均發(fā)生了熱失控現(xiàn)象。而正極材料和電解液的分解溫度較高時，均未出現(xiàn)熱失控的現(xiàn)象。組成電池材料的熱穩(wěn)定性越高，電池越不容易發(fā)生熱失控。
參考文獻
[1] 劉霏霏等.基于動態(tài)內(nèi)熱源特性的車用鋰離子動力電池溫度場仿真及試驗[J].機械工程學(xué)報，2016， 52（08）： 141-151.
[2] Wen Y，Zhang W，Lu J. The establishment of safety indicator set of lithium-ion battery and its management system[C].Prognostics and System Health Management Conference. IEEE，2016： 1-7.
[3] 歐陽陳志，梁波.鋰離子動力電池?zé)岚踩匝芯窟M展[J].電源技術(shù)， 2014，38（2）： 382-385.
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