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“親眼”看見鋰離子電池內(nèi)部的溫度分布

時(shí)間:2019-11-04 15:27來源:新能源Leader 作者:憑欄眺
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       溫度對(duì)鋰離子電池有著重要的影響，溫度過低會(huì)導(dǎo)致負(fù)極析鋰，溫度過高則會(huì)導(dǎo)致正負(fù)極界面的副反應(yīng)增加，導(dǎo)致鋰離子電池加速衰降。鋰離子電池在充電和放電的過程中都會(huì)產(chǎn)生熱量，由于鋰離子電池內(nèi)部隔膜的導(dǎo)熱性較差，因此熱量在垂直于極片的方向上熱阻較大，更加容易產(chǎn)生溫度梯度。大量的理論計(jì)算都表明無論是在方形、圓柱形，還是在軟包電池中大電流工作時(shí)都會(huì)產(chǎn)生溫度梯度。
 
       近日，北京理工大學(xué)的XiaoDu（第一作者）和Wei-Li Song（通訊作者）、Dai-Ning Fang（通訊作者）等人開發(fā)了一種原位觀測(cè)圓柱形電池在直徑方向上的溫度分布的方法，通過該方法作者發(fā)現(xiàn)在3C倍率下，鋰離子電池內(nèi)部的最大溫度梯度會(huì)達(dá)到4.73℃。
 
       試驗(yàn)中作者采用18650電池作為研究對(duì)象，該電池的正極為NCM，負(fù)極為石墨材料，隔膜為PP/PE/PP三層復(fù)合隔膜，電解液為1M LiPF6（EC：DMC=1:1），為了方便對(duì)電池內(nèi)部的溫度梯度進(jìn)行觀測(cè)，作者將電池上蓋移除，并覆蓋一層光學(xué)玻璃，方便對(duì)電池內(nèi)部的溫度進(jìn)行觀測(cè)。整個(gè)試驗(yàn)是在下圖所示的裝置內(nèi)部進(jìn)行的，試驗(yàn)過程中作者首先以0.046A的電流將電池充電到4.2V，然后分別以0.2C、0.5C、1.0C和3C倍率將電池放電到2.5V，通過電池上部的紅外相機(jī)來觀測(cè)鋰離子電池內(nèi)部的溫度變化。
       由于作者對(duì)18650電池進(jìn)行了改造，為了避免對(duì)電池的電化學(xué)性能產(chǎn)生影響，作者對(duì)改造后的18650電池和沒有改造的18650電池進(jìn)行了測(cè)試（測(cè)試結(jié)果如下圖所示），從下圖可以看到經(jīng)過結(jié)構(gòu)改造的電池在循環(huán)性能和放電性能上沒有明顯的差距，這也表明在該試驗(yàn)中測(cè)試得到的結(jié)果是真實(shí)可靠的。
       下圖為上述18650電池在1C放電的過程中，在不同的放電深度時(shí)電池內(nèi)部的溫度分布，從下圖可以看到隨著放電時(shí)間的增加，電池內(nèi)部的溫度逐漸升高，并且可以看到電池內(nèi)部的溫度分布也變的更加不均勻，在靠近電芯中間的位置溫度較高，而在靠近電芯邊緣的位置的溫度較低。
       為了讓電池內(nèi)部溫度分布的效果更加直觀，作者分析在直徑方向上不同位置處的溫度隨放電深度的變化（如下圖a所示），從下圖可以看到在1C放電的過程中，電池內(nèi)部最大的溫度差僅為0.5℃。下圖b為電池內(nèi)部在不同角度上，電芯直徑方向上的溫度分布，可以看到在不同角度上電池內(nèi)部的溫度分布基本上是一致的，這表明在1C倍率下放電時(shí)電池內(nèi)部的溫度是非常均勻的，沒有產(chǎn)生顯著的溫度梯度。
       放電倍率對(duì)鋰離子電池的產(chǎn)熱和電池內(nèi)部的溫度分布具有重要的影響，下圖為18650電池在不同倍率放電，不同放電深度時(shí)，18650電池內(nèi)部的溫度分布。從圖中能夠看到，放電的過程中電池中間芯骨位置的溫度最高，電池外部的溫度較低，并且放電倍率對(duì)于電池內(nèi)部溫度的影響非常大。在3C倍率下，電芯中間溫度最高可達(dá)70℃，電池內(nèi)外的最大溫差也達(dá)到了4.73℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于0.5C和1C倍率放電。
       下圖為不同放電倍率放電時(shí)，電池在不同角度方向上的溫度分布，從圖中可以看到電池在不同角度方向上也存在散熱的差異，在0.5C較小的倍率下，電池產(chǎn)熱較少，因此不同角度方向的散熱差異比較小，1C倍率下電池的產(chǎn)熱仍然比較小，因此不同角度方向上的溫度差異小于0.1℃，而當(dāng)電池的放電電流增加到3C后，電池內(nèi)部的產(chǎn)熱顯著增加，不同方向上的散熱差異變的顯著起來，最大的差別可以達(dá)到0.94℃，表明電池在不同角度方向上也存在一定的散熱差異。
       電池在放電過程中內(nèi)部的溫度梯度是比較常見的現(xiàn)象，但是由于鋰離子電池的密封結(jié)構(gòu)，我們僅能夠觀測(cè)電池外表的溫度，這不利于鋰離子電池的熱設(shè)計(jì)，Xiao Du采用的方法讓我們能夠通過紅外相機(jī)直接看到鋰離子電池內(nèi)部的溫度分布，對(duì)于指導(dǎo)鋰離子電池的設(shè)計(jì)生產(chǎn)和檢驗(yàn)鋰離子電池產(chǎn)熱模型具有重要的意義。
(責(zé)任編輯：子蕊)
文章標(biāo)簽： 鋰離子電池 電池溫度
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