鋰電池循環(huán)過程中的放電特性、熱量特性和衰退過程的研究
來源：寶鄂實業(yè)
2019-05-04 21:36
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鋰離子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， 被認為是純電動汽車(EV) 和混合電動汽車(HEV) 的最佳儲能設備之一。熱管理系統(tǒng)是保證大功率鋰電池組安全運行的核心技術之一， 溫度太高會導致鋰電池面體電解質(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， 研究復雜工況條件下鋰電池工作的熱特性是開發(fā)電池熱控技術的基礎， 對于發(fā)展動力電池熱管理系統(tǒng)具有重要的科學指導意義。
目前， 對于鋰電池發(fā)熱特性的研究， 主要采用數值模擬和實驗分析。在等Doyle提出的電化學模型和等bernardi提出的電池能量方程的基礎上， 國內外學者已經發(fā)展了多個鋰電池熱電耦合模型， 如采用熱電耦合模型計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的參數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行了計算， 并對其內部不同熱源的發(fā)熱量進行了詳細分析。j.vazquez-arenas等采用熱電耦合模型對方形鋰離子電池進行了模擬， 研究了電池溫度對其放電特性和鋰離子濃度分布的影響， 并對電池內部不同熱源的發(fā)熱量進行了定量分析。目前大多數文獻有關鋰電池熱特性的研究均采用熱電耦合模型， 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， 負極膜會由于的沉積逐漸增厚導致鋰電池內阻增大， 從而會引起鋰電池發(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驗數據擬合函數， 建立的模型和研究結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行數值研究。
本文應用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膜的變化對電池產生熱量的影響， 詳細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， 得出如下結論：
1、在鋰電池的高倍率(>5C)放電過程中，SEI膜產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)的進行， 鋰電池負極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)次數的增大近似呈線性增大;
4、鋰電池放電過程中的SEI膜產生的熱量和溫升將隨放電循環(huán)次數的增加而逐漸增大。
那么冷凝發(fā)到底是什么?其實很簡單，就是用冰模板(ice-templating)垂直對齊電池內固態(tài)電解質架構，增強導電性。這種新型電池的誕生也正好為概念中的柔性智能手機和平板電腦鋪路。
眼下，市場上可重復充電的鋰電池用的液體電解質高易燃性，極易造成安全問題，去年 Note 7 事故元兇就是它。因此，哥倫比亞大學工程和應用科學學院決定嘗試使用固體電解質來代替易燃的液體電解質。
由于傳統(tǒng)液體電解質極易燃燒，他們使用冰模板讓陶瓷固體電解質呈現出垂直對齊的柱狀架構，使用陶瓷固體電解質的電池明顯更安全且導電性更強。這種電池的制作方法也是很稀奇的，制作時，先在底部加入陶瓷顆粒并冷卻水性溶液，隨后讓冰層生長，擠出一部分已結冰的水性溶液，讓陶瓷顆粒在電池中成為主流。最后，營造一個真空環(huán)境讓冰升華為汽態(tài)，這樣就完成了搭建垂直對齊架構。搞定垂直對齊架構后，需要與聚合物相結合，后者是一種由許多重復子單元組成的大分子，這樣就能為電解質提供機械支撐并更富有柔韌性。
哥大材料科學和工程學助理教授Yuan Yang提到過，柔性固態(tài)鋰電無論是在移動設備上還是電動車上，都能一勞永逸的解決安全問題，同時還能增加能量密度?！≡谥暗膶嶒炛?，研究員用了一種該解決方案的變種。他們在聚合物電解質中用了隨機分散陶瓷粒子，此外還嘗試類纖維的陶瓷電解質，不過這些方案都無法實現垂直對齊。
在之前的實驗中，研究員用了一種該解決方案的變種。他們在聚合物電解質中用了隨機分散陶瓷粒子，此外還嘗試類纖維的陶瓷電解質，不過這些方案都無法實現垂直對齊。研究報告的主筆Haowei Zhai 說：“當時我們認為只要結合陶瓷電解質垂直對齊架構與聚合物電解質，就能讓鋰離子開上快車道并增強電池的導電性。”他還提到，他們相信這是業(yè)內首次使用冰模板制造柔性固體電解質，新的電解質不但安全可靠，而且無毒無害。新的方案最佳化了鋰離子的導電效能，為下一代充電電池的開發(fā)開啟了一扇窗。換用固體電解后，原本鋰電池負極使用的石墨層就能換成鋰金屬了，此舉能提升 60~70% 電池能量。
目前，該團隊準備最佳化電解質結合的品質并試裝出這種新型電池，使今后的鋰電池安全續(xù)航能力越來越強。
