大型動(dòng)力鋰離子電池及其熱模型概述
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-07 11:25
點(diǎn)擊量：次
隨著石油資源的緊張和全球變暖的威脅日益加劇，建立以可再生能源為基礎(chǔ)的低碳社會(huì)成為全球性的話題。在過去的若干年中，世界各國一直在嘗試將以化石燃料為基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕蕾嚟h(huán)保的可再生能源為基礎(chǔ)的發(fā)展方式。這一經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變會(huì)是一個(gè)相當(dāng)漫長并且痛苦的過程，在這樣一個(gè)過程中，關(guān)于能源的使用和供應(yīng)都需要一系列的改革與創(chuàng)新。技術(shù)的革新和發(fā)展將成為這一變革過程中的重要驅(qū)動(dòng)力量，作為能源領(lǐng)域中一項(xiàng)重大的社會(huì)變革，以二次電池為代表的新型能源的出現(xiàn)成為必然。
近年來，人們對于生活質(zhì)量的追求使得電子產(chǎn)品與人們的生活越來越緊密，電池便自然而然成為了重要的能量來源，0000同時(shí)，人們對生活環(huán)境的要求也越來越高，以混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車為代表的新能源汽車憑借其節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)逐漸成為業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)。電池是新能源汽車上的核心元件，而電池技術(shù)正是新能源汽車產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵所在。
目前還沒有一種大型動(dòng)力鋰離子電池能夠完全滿足電動(dòng)汽車的性能要求，但是隨著鉆研的不斷深入，電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池的性能將得到很大的提升并且具有相當(dāng)?shù)拈_發(fā)潛力。在電動(dòng)汽車不斷發(fā)展的今天，蓄電池性能的好壞決定了電動(dòng)汽車的性能。
鋰電池的研究始于20世紀(jì)80年代初，從研究鋰原電池開始，人們開始了研究鋰離子電池的漫長之路。1991年，第1塊商品化鋰離子電池由日本索尼公司推出，其優(yōu)越性能受到了研究者的追捧，隨后鋰離子電池進(jìn)入了高速發(fā)展的快車道。1997年，Goodenough開始了磷酸鐵鋰（LiFePO4）動(dòng)力電池的研發(fā)，這一開創(chuàng)性的研究進(jìn)一步拓展了鋰離子電池的應(yīng)用領(lǐng)域。
鋰離子電池不同于鋰原電池和鋰金屬二次電池，它是將電池的正負(fù)電極都換做嵌入化合物，使得在放電時(shí)，鋰離子能夠在正極上脫嵌，同時(shí)得到電子，進(jìn)而在負(fù)極能夠嵌入到石墨當(dāng)中，失去電子完成放電。
鋰離子電池相比于其他種類的蓄電池提高了電動(dòng)汽車用大型動(dòng)力電池的平均壽命，而且鋰離子電池具有電池單體電壓高、比能量高和比功率高的優(yōu)勢。但它同樣也存在一定的不足，如電池單體成本較高、安全性能不盡如人意等。
二、大型動(dòng)力鋰離子電池應(yīng)用現(xiàn)狀
大型動(dòng)力鋰離子電池最為廣泛且直接的應(yīng)用便是新能源汽車。國內(nèi)所指的新能源汽車指的是狹義范圍內(nèi)的電動(dòng)汽車，包括插電式混合動(dòng)力汽車（PHEV）、純電動(dòng)汽車（AEV）和燃料電池汽車（FCV）。
近些年來，隨著人們對空氣質(zhì)量問題的日益重視，電動(dòng)汽車以其無噪音污染、節(jié)能、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)勢而備受大家關(guān)注，21世紀(jì)以來，這種不消耗汽油，利用動(dòng)力蓄電池儲(chǔ)能的電動(dòng)汽車，優(yōu)勢日益凸顯。國家對于低碳環(huán)保產(chǎn)業(yè)也加大了投入并給予了許多政策上的支持，電動(dòng)汽車作為燃油汽車的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型產(chǎn)品，迎來了發(fā)展高峰。特別是2008年金融危機(jī)以來，國際油價(jià)的持續(xù)走高以及節(jié)能減排壓力的不斷增大，使得各國政府意識到了電動(dòng)汽車的重要性，并相繼制定了相關(guān)的產(chǎn)業(yè)規(guī)劃及發(fā)展戰(zhàn)略。
日本方面，日本索尼能源技術(shù)公司(Sony Energytec. Corp)與日產(chǎn)汽車公司(Nissan Motor Co.Ltd) 于1995年聯(lián)合研制成功用鋰離子蓄電池組驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)車。索尼公司研制的車用鋰離子電池有2種，一種是用于電動(dòng)車(EV)，容量為100Ah的圓柱形電池，8只電池串聯(lián)成小組合電池，12只小組合電池組成完整的車用電源系統(tǒng)。另一種是用于混合型電動(dòng)車(HEV)，容量為22Ah的圓柱形電池，8只電池串聯(lián)成小組合電池，但其輸出功率為前者的2.7倍。由于日產(chǎn)、三菱以及豐田三家車企較早開始鋰離子電池的研發(fā)工作，且在汽車領(lǐng)域有著后的基礎(chǔ)，故其在電動(dòng)汽車發(fā)展方面有著先發(fā)優(yōu)勢，日本政府也審時(shí)度勢，根據(jù)國內(nèi)電動(dòng)車發(fā)展情況提出在2020年以前普及電動(dòng)汽車代替燃油汽車，以達(dá)到進(jìn)一步降低碳排放的目的。
美國聯(lián)邦政府也十分重視新能源汽車產(chǎn)業(yè)，宣布積極支持PHEV的研發(fā)，并重點(diǎn)提及先進(jìn)動(dòng)力電池的產(chǎn)業(yè)化問題。每個(gè)州會(huì)結(jié)合自身經(jīng)濟(jì)、政治及科技發(fā)展?fàn)顩r來制定相應(yīng)的支持政策，控制車企在整體銷售數(shù)量中電動(dòng)汽車的比例。
法國Saft公司在研制電動(dòng)車用大容量鋰離子蓄電池方面取得了很大進(jìn)展，該公司主要致力于LiNiO2及LiNixMnyO4材料的開發(fā)，已研制成1 kWh能量的小組合電池，由6只圓柱形40～50Ah電池經(jīng)串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成，并裝有智能電子控制器與熱管理系統(tǒng)。電池已經(jīng)裝車聯(lián)試，可行駛200km，最佳化的全尺寸電池性能巳達(dá)到120Wh/kg和200Wh/L。
德國也在2010年啟動(dòng)車用鋰電池研發(fā)計(jì)劃，眾多車企巨頭均參與其中。
經(jīng)過2012和2013年的穩(wěn)步發(fā)展，2014年全球電動(dòng)車銷量超過30萬輛，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于前兩年電動(dòng)汽車銷量，銷量前5名的車企均為美日車企，也說明在電動(dòng)車技術(shù)方面，2國有著一定的優(yōu)勢。銷量最多的國產(chǎn)車為比亞迪-秦，在銷量前20名中，共有中國的5個(gè)品牌。國產(chǎn)品牌在電動(dòng)車領(lǐng)域發(fā)力，存在實(shí)現(xiàn)中國汽車工業(yè)“彎道超車”的可能。
由于電動(dòng)汽車在技術(shù)成熟性上與燃油汽車相比仍有較大差距，因而改善電池性能進(jìn)而推動(dòng)電動(dòng)汽車的技術(shù)進(jìn)步成為電動(dòng)汽車發(fā)展的重中之重。
目前電動(dòng)汽車中所使用的鋰離子電池的比能量、放電率、充放電壽命及密封性均可以滿足USABC制訂的電動(dòng)車中期目標(biāo)。存在的主要問題是快充放電性能差、價(jià)格高和過充放電保護(hù)問題。在過充或?yàn)E用的條件下，鋰電池可能發(fā)生火災(zāi)或爆炸。電池成本主要受電解液、隔膜和正極材料的制約，它們分別占總成本的25%~30%，而降低成本的同時(shí)不能以降低容量為代價(jià)。鋰離子電池安全性與散熱緊密相關(guān)，電池散熱則受反應(yīng)速率控制等諸多因素影響，僅考慮單一因素?zé)o法確定是否安全。因此為確保鋰離子電池的安全性，必須使用電池管理系統(tǒng)。此法雖然有效，但大大增加了電池的成本。
三、鋰離子電池?zé)崮Ｐ透攀?/div>
近年來，關(guān)于大型鋰離子動(dòng)力電池?zé)岚踩苑矫娴姆治鲅芯亢芷毡?，其原因可大致分為?nèi)部原因和外部原因。內(nèi)部原因主要有正極材料的熱分解、固體電解質(zhì)界面膜 ( solid electrolyte interface , SEI膜)的熱分解、電解液自身的熱分解、溶劑和負(fù)極碳材料的反應(yīng)、粘結(jié)劑和負(fù)極的反應(yīng)、正負(fù)極活性物質(zhì)的焓變[8]等。外部原因主要包括機(jī)械濫用、電化學(xué)濫用以及熱濫用。其中，機(jī)械濫用主要是指在運(yùn)輸儲(chǔ)存或者使用過程中發(fā)生的撞擊、針刺以及震動(dòng)，而電化學(xué)濫用主要是指使用過程中所出現(xiàn)的過充過放、短路、氣化等，熱濫用主要是指額外熱源對電池造成的傷害。
從材料化學(xué)的角度來看，確保大型動(dòng)力鋰離子電池?zé)岚踩缘年P(guān)鍵是控制電池的電壓、溫度、電流以及所受到的壓力在一個(gè)合理的區(qū)間內(nèi)。當(dāng)電池進(jìn)行工作時(shí)，由于電池會(huì)發(fā)生自生熱，因而單體的熱穩(wěn)定性（包括正極、負(fù)極和電解質(zhì)的穩(wěn)定）以及電池模組的熱穩(wěn)定性對于電池的安全性十分重要[10]。與電池自身熱安全相關(guān)性很強(qiáng)的自生熱問題產(chǎn)生的原因大多是由于SEI膜的破壞、正極氧化材料導(dǎo)致的氧氣濃度的升高、電池的充電、電極材料的種類以及電解液的熱分解。同時(shí)，大量且快速的自生熱反應(yīng)很可能是由電池內(nèi)部或者外部短路引起的。
為了了解大型動(dòng)力鋰離子電池在應(yīng)用過程中的熱安全性問題，人們嘗試建立了多種模型。小型鋰離子電池和電池模組已經(jīng)較為普遍地應(yīng)用于手機(jī)、汽車等日常消費(fèi)品中，而大型鋰離子電池由于其存在的安全性問題，僅在衛(wèi)星等軍工領(lǐng)域有較少量的實(shí)際應(yīng)用。為了擴(kuò)展大型鋰離子電池的應(yīng)用，建立相應(yīng)熱模型研究其熱安全性問題就顯得尤其重要。
小型鋰離子電池（<3Ah）及電池模組（<150Ah）的熱安全性已經(jīng)有很多較為成熟的方法進(jìn)行防控，比如加入PTC、引入電流中斷機(jī)制或壓力傳感器等。而大型鋰離子單體電池（>6Ah）或模組（>200Ah）的安全性控制問題仍然存在挑戰(zhàn)，其所適用的大功率設(shè)備決定了以上方法并不適用。大型動(dòng)力鋰離子電池相比于小型電池由于其本身所含能量較高，當(dāng)出現(xiàn)熱安全性問題時(shí)，所帶來的后果會(huì)更為嚴(yán)重，同時(shí)，由于電池體積的增大，造成電池比表面積的減小進(jìn)而使得電池單位體積散熱面積的降低。電池內(nèi)部溫度的不一致性也會(huì)隨著鋰離子電池的大型化和成組化而出現(xiàn)，這種電池單體之間的溫度差異會(huì)使得電池?zé)崾Э仫L(fēng)險(xiǎn)增加，進(jìn)而導(dǎo)致電池出現(xiàn)一系列問題。
