鋰離子
電池在充放電的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的熱量,特別是在大電流充放電的過(guò)程中會(huì)在鋰離子
電池內(nèi)部產(chǎn)生大量的熱量,但是由于鋰離子電池結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在不同的方向上熱導(dǎo)率存在顯著的差異,在平行于極片的方向上的熱導(dǎo)率要顯著高于垂直于極片方向的熱導(dǎo)率,因此不同的散熱方式不僅在效率上存在顯著的區(qū)別,而且不適當(dāng)?shù)纳岱绞竭會(huì)在鋰離子電池內(nèi)部產(chǎn)生嚴(yán)重的溫度梯度,影響電池內(nèi)部電流的分布,進(jìn)而導(dǎo)致電池內(nèi)部衰降的不一致,嚴(yán)重影響鋰離子電池的使用壽命。
近日,英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)的Yan Zhao(第一作者)和Teng Zhang(通訊作者)、Gregory J. Offer(通訊作者)等通過(guò)建立二維模型的方式對(duì)鋰離子電池“表面散熱”和“極耳散熱”兩種散熱方式的效果和對(duì)于鋰離子電池壽命的影響進(jìn)行了研究,并對(duì)于如何優(yōu)化“極耳散熱”提出了建議。
首先作者在MATLAB R2017中建立了一個(gè)二維模型(如下圖所示),該模型模擬了電池在一個(gè)橫切面(長(zhǎng)×厚)的溫度分布情況。
為了驗(yàn)證模型的有效性,作者采用了三種結(jié)構(gòu)的軟包電池對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,三種電池的正極材料均為NCM622材料,負(fù)極均為石墨材料,電池容量為16Ah,尺寸為117mm×101mm×11.5mm,其正極、負(fù)極和隔膜的結(jié)構(gòu)和尺寸完全一致,僅極耳結(jié)構(gòu)和位置不同(如下圖所示),三種電池的極耳結(jié)構(gòu)詳細(xì)信息如下表所示。
實(shí)驗(yàn)中用到的電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)如下表所示
下圖為實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的電池中間位置表面、電池極耳和冷卻池的溫度變化曲線,從下圖a(負(fù)極極耳冷卻)中能夠看到相比于窄極耳的C30電池,寬極耳設(shè)計(jì)的C70電池在中心位置表面溫度低2.3℃,在負(fù)極極耳位置低1.5℃,從下圖b(正極極耳冷卻)能夠看到寬極耳設(shè)計(jì)的C70電池在冷卻效果上仍然具有優(yōu)勢(shì),在中心位置C70電池的溫度低2℃,極耳位置低0.7℃,表明寬極耳設(shè)計(jì)能夠有效的減少電池的熱阻,同時(shí)相比于正極極耳散熱,負(fù)極極耳冷卻熱阻較小,也能夠提升散熱效果。
為了驗(yàn)證不同的散熱方式對(duì)鋰離子電池表面溫度的影響,作者對(duì)S30電池采用表面冷卻的方式進(jìn)行散熱,然后對(duì)于S30、C30和C70三個(gè)電池進(jìn)行極耳散熱,所有電池首先以1C進(jìn)行充電,然后以5C倍率進(jìn)行放電,接著進(jìn)行2C充電,在這一過(guò)程中電池表面溫度變化的如下圖所示。
從下圖中能夠看到采用表面散熱的S30電池在整個(gè)過(guò)程中電池表面的溫度最低,在放電結(jié)束時(shí)的最高溫度為33.3℃,采用極耳散熱的S30和C30電池溫度最高,在放電結(jié)束時(shí)電池溫度分別達(dá)到了45.5℃和44.5℃,而采用寬極耳設(shè)計(jì)的C70電池溫度出現(xiàn)了明顯的降低,放電結(jié)束時(shí)的最高溫度比窄極耳設(shè)計(jì)的S30和C30電池低了6℃,表明寬極耳設(shè)計(jì)能夠有效的提升散熱效果。
從上面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看到盡管寬極耳設(shè)計(jì)能夠有效的提升極耳散熱的效果,但是相比于表面散熱其最高溫度仍然要高7℃,為了進(jìn)一步優(yōu)化極耳散熱效果,作者采用二維模型對(duì)電池進(jìn)行了模擬仿真。下圖為針對(duì)C70電池進(jìn)行的模擬仿真結(jié)果,從下圖c能夠看到仿真得到的電池溫度變化曲線與電池實(shí)際的溫度變化曲線之間高度一致,這表明該模型能夠很好的模擬鋰離子電池在實(shí)際工作中的溫度變化情況。
下圖為采用模型模擬的三種電池分別采用表面散熱、極耳散熱方式進(jìn)行熱管理時(shí)電池的溫度變化曲線,對(duì)于采用表面散熱的S30電池,模型得到的溫度與實(shí)際的溫度在S3位置最大誤差為1.5℃,對(duì)于采用極耳散熱的C30電池在S1和S3位置的最大誤差分別為-1.5℃和1.9℃,對(duì)于采用極耳散熱的S30和C70電池模型仿真結(jié)果與實(shí)際結(jié)果之間相差不到1℃,表明該模型能夠提供可接受精度的溫度預(yù)測(cè)。
下圖為通過(guò)模型得到的采用表面散熱方式的S30電池和采用極耳散熱方式的C70電池內(nèi)部的溫度變化、電流分布變化和局部SoC變化,從下圖a我們能夠看到由于S30電池通過(guò)電池頂部表面散熱的方式對(duì)電池進(jìn)行散熱,因此能夠看到電池內(nèi)部出現(xiàn)了明顯的溫度梯度,相比之下采用極耳散熱方式的C70電池溫度就要均勻的多。
由于鋰離子電池的動(dòng)力學(xué)特性與電池的溫度密切相關(guān),因此由于溫度梯度的存在,我們能夠觀察到S30電池內(nèi)部也出現(xiàn)了顯著的電流分布不均的現(xiàn)象,而相比之下C70電池的溫度分布則要均勻的多。同時(shí)由于電流分布不均的存在最終也導(dǎo)致了S30電池內(nèi)部局部SoC的不均勻,在靠近冷卻面的位置由于電流較小,因此最終的SoC要明顯的高于其他位置。
從上面的分析能夠看到極耳散熱能夠有效的提升散熱過(guò)程中電池內(nèi)部溫度、電流和SoC的均勻性,但是受限于極耳散熱較小的面積,因此絕對(duì)散熱量上仍然要比表面散熱小,因此作者進(jìn)一步對(duì)極耳形狀對(duì)于極耳散熱的效果進(jìn)行了研究和分析。
作者以散熱效果較好的C70電池作為基礎(chǔ),對(duì)極耳的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),下圖b展示了極耳寬度對(duì)于電池在放電過(guò)程中的平均溫度、最高溫度和最低溫度的影響,從圖中能夠看到電池極耳寬度從10mm提高到90mm,放電結(jié)束時(shí)電池的平均溫度從44.5℃下降到了39.5℃,電池在長(zhǎng)度方向上的最大溫差從1℃增加到了2.4℃,由于極耳重量的增加,電池的重量能量密度從210Wh/kg降低到了207Wh/kg。
從下圖c可以看到當(dāng)極耳的厚度從0.2mm增加到1mm,電池在放電結(jié)束后的平均溫度從40.4℃降低到了34.4℃,同時(shí)電池內(nèi)部在長(zhǎng)度方向上的溫度梯度也從2℃增加到了3.7℃,由于極耳重量的增加,電池的重量能量密度從210Wh/kg下降到了197Wh/kg。
下圖d則展示集流體厚度變化對(duì)于電池散熱效果的影響,從圖中能夠看到增加集流體厚度對(duì)于提升電池散熱效果的影響比較小,集流體厚度增加90%,電池在放電結(jié)束時(shí)的平均溫度僅下降0.25℃,長(zhǎng)度方向上的溫度梯度從2℃下降到1.5℃,但是由于集流體重量升高電池的重量能量密度從210Wh/kg下降到了177Wh/kg,可以說(shuō)通過(guò)提高集流體的厚度提升電池散熱效果的方法效率很低。
Yan Zhao的工作表明極耳散熱的瓶頸主要還是在極耳的截面積,無(wú)論是提升極耳的寬度和厚度都能夠有效的改善電池的散熱效果,特別將厚度提高到1mm后,極耳散熱的效果能夠能夠與表面散熱接近,同時(shí)極耳散熱還能夠有效的減少電池內(nèi)部的溫度梯度,從而提升電池內(nèi)部電流、SoC的均勻性,從而達(dá)到提升電池循環(huán)壽命的目的。
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How to Cool Lithium Ion Batteries: Optimising Cell Design using a Thermally Coupled Model, Journal of The Electrochemical Society, 166 (13) A2849-A2859 (2019), Yan Zhao, Laura Bravo Diaz, Yatish Patel, Teng Zhang and Gregory J. Offer