锂离子电池的基本生热及传热特性分析Word下载.docx

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111/3）Qi

正常电压（V）

4.0

4.05

3.8

3,85

3.34

存储电容（mAh/g）

（45

100

J60

120

150

比能產（Wh/kg）

602

480

742

588

549

体积比能量（WMJ

3073

2065

3784

2912

1976

错环寿命（坎）

>

500

1000

质-量咸本＜S/kg）

30-40

8-10

28-30

22^25

16^20

能矍本钱C$/kWh）

57^75

20^25

50-55

30-55

25-35

平安性

较差

良好

良妤

优秀

正极材料

铁酸锂

三元复合材料

无过充

本钱低、比容

优点

平安性好

限制

量高

无过放

振实密度高、

工艺成熟

耐过充

电限制

穂定性好

高温稳

循环性、平安

离温稳定

定

性好

本钱高、安

充敖电容量衰

充放电

传导率低、合

缺点

全隐患高

减强

结构不

成困难

穩定

只适合小容

循环寿命低

工艺条

高倍率充放电

量单体电池

件苛刻

性能差

姑酸锂离子电池在15（TC高温时易爆炸，平安性差，原料本钱超过40万元/吨，且循环寿命短冋；

钱酸锂离子电池平安性有所提高，但髙溫下的循环寿命只有500次左右。

而磷酸铁锂正极的锂离子脱出/嵌入后，磷酸铁锂的晶体结构几乎不发生重排，因此，猎酸铁锂离子电池的循环性能更好，可反复充放电达1000次以上，通过材料改性，寿命甚至可到达1万次以上，在高温高热环境下的稳定性也较高冋，畏目前正极材料的最正确选择。

电解液填充电池内部，分布在隔膜两侧。

电解液对离子有髙导电性，在电池内部的止、负极之间承当着传输电荷的作用；

由于程离子电池的工作电压一般为3.2V,而水在1.2V左右的电压下即会发生电解，故一般采用非水有机溶剂和分解电压更高的电解质盐溶剂等作为锂离子的载体呗.

隔膜的主要作用是将锂离子电池的正炭极材料隔开，其具有选择通过性：

电子不能通过电池的内电路，但锂离子可自由通过。

隔膜在电池中会表现为一定的电阻性质。

负极材料主要有石墨及其相关材料。

集流体是正负极的导电骨架。

此外，锂离子电池在前几次充电过程中，有机电解液会在负极外表上发生氧

化复原反响，在电极外表形成一层固体电解质钝化膜，这层膜对电子绝缘，却是锂离子的导体，这层膜就是SEI（SurfaceElectrolyteInterface）膜。

SEI廡会增加电池内阻，但由于它不溶于有机溶剂性状致密，阻挡了有机溶剂的分子又不彩响锂离子的传递，一定程度上也防止了有机溶剂分子嵌入对电极材料带来的破坏。

假设SEI膜被破坏，修复它那么需要消耗锂离子，故电池使用一段时间以后,SEI膜会变厚，电池内阻增加。

璘酸铁锂离子电池根本构造如图2.1所示：

图2.1磷酸铁锂离子电池根本构造

锂离子电池内部的各种材料一般通过层叠或卷绕的方式排列。

卷绕式是将正极片、隔膜、负极片依次排好，采取一定的工艺步骤，卷成圆柱形。

层叠式那么是将正极片、隔膜、负极片等材料按顺序堆叠成块状电池，然后将各层正极片引出焊接为正极柱，负极片引出焊接为负极柱。

图2.2所示为两种方式的示意图。

图2.2卷绕式与层叠式锂离子电池示意图

2.1.2锂离子电池工作原理

磷酸铁锂离子电池内部发生的化学反响如下:

充电反响LiFeP04-xLi^-xe~-►xFePO^+（l-x）LiFeP04公式2.1

放电反响FeP04+xLi++xe'

txLiFePO^+（1-x）LiFePO^公式2・2

这是一种理想的可逆反响。

从电化学角度，它本质就是一个锂离子浓度差电池。

充电时，锂离子从正极化合物中脱出，经过电解质嵌入负极晶格，此时，负圾处于富锂态，正极处于贫锂态，补偿电荷通过电子在外电路传到负极，维持负极的电荷平衡；

放电时那么相反，锂离子从负极脱出，经过电解质嵌入正极材料，此时，正极处于富锂态，负极处于贫锂态冏。

由于电池的正负极都是层间化合物,在正常充放电时，锂离子负极碳材料的层状机构和正极氯化物的层状结构间嵌入和脱出，只带来层间距的变化，不破坏晶体结构，因此锂离子电池反响的可逆性较好，被称为'

‘摇椅式〞的电池体系蹄。

图2.3展现了锂离子电池的工作原理。

图2.3锂离子电池工作原理

2.2锂离子电池的生热机理分析

2.2.1锂离子电池的生热机理

由于内部化学反响变得非常复杂，在正常使用状态下，锂离子电池总的生热量一般由以下四局部构成：

反响热、焦耳热、极化热以及副反响热的。

记总生热量为Q,那么其可表示为

公式2.3

其中；

Qr是反响热：

是指在电池充放电过程中，锂离子在正负极板间嵌入和脱嵌这一电化学反响过程里产生的热量，与反响过程中的炳变有关，充电状态时，该值为兔值〔即吸收热量〕，放电状态时，该值为正值〔即卷放热量〕。

反响热的计算表达式为：

nmQl

MF

公式2.4

其中n表示电池单体个数；

m表示正负电极质量；

Q表示电池正极电化学反

应产生热量和负极电化学反响产生的热量的代数和；

I表示充放电电流大小，单位为A；

M代表摩尔质量，单位为g/mol；

F表示法拉第常数,其值为96484.5C/mol<

Qj是焦耳热，由于组戌电池的材料存在一定电阻，电流流经时便会产生热量,这局部热量是不可逆的，在充放电过程当中均为正值，计算表达式为：

Qj=Nr.公式2.5

其中I为电流强度，单位为A；

出为电池的内阻，单位为Q。

Qp是极化热：

当有电流通过时，在锂离子电池的电极外表发生实际电位偏离平衡电位的现象，称为极化现象。

由于电池的平均端电压与开路电压的差异，这局部压降而产生的热量即极化热。

它与电池种类、电流大小、环境温度等有关。

在充放电的状态下其值均为正值。

一般情况下，会虚拟一个电池极化内阻儿，用其产生的焦尔热来等效代替。

Q.是副反响热，是伴随电池内主电化学反响的一些副反响，如电极一局部的分解反响，高溫下电解液分解反响等。

该局部热量产热量很小，一般不予考虑。

因此，电池生热滋可以表示为：

Q产+Qp+Q,=罟++广

公式2.6

2.2.2锂离子电池生热速率确实定

美国加州大学伯克利分校的Bernadi从锂动力电池内阻和萌增反响原理两个方面出发，基于电池内部热源稳定且均匀生热的条件，将极化热与反响热均处理成不可逆的反响热，提出计算锂离子动力电池生热速率的Bernadi生热速率模型間，其估算公式为：

式中g为电池生热速率，％为电池单体体积，7为充放电电流，〃为电池单体电压，仏为电池开路电压，丁学为电池的温度影响系数，是与电化学反响相关

CLT

的物理量。

2.3锂离子电池的传热特性分析

2.3.1电池内部传热分析

dT

由传热学根本原理知，热董的传递有三种根本方式，即：

热传导、热对流以及热辐射。

在锂鬲子电池内部，由于电解液的流动微弱，内部发生的流动换热可以忽略不计，同时内部辐射换热的形响微弱，故热量传递的主要方式是热传导。

根据导热根本定律-傅里叶定律知，在导热过程中，单位时间内通过单位面积的导热量，正比于垂直该截面方向上的温度变化率，即：

公式2.8

其中，q“是沿n方向传递的热流密度，入为导热系数，它的大小反映了该物质的导热能力，$是电极等温面法线方向温度梯度，负号表示热量传递方向与温度升高的方向相反。

当物体温度是三维函数时，空间热流密度矢量，记为q,进而热量传导的速度公式可表示为：

公式2.9

其中，VT代表温度的梯度。

它是在实验观察的根底上于1822年提出的，它将温度场与热量流动联系起来，并适用于各种不同的温度场，也适用于稳态、非稳态、一维或者多维的情况画。

2.3.2电池外部传热分析

由电池内部经热传导到达电池壳体的热量，与外界进行热量交换时，方式主要是对流换热。

对流换热发生在有宏观运动的流体中，常见的情况是冷却流体流过一个发热固体外表时，有温度差的流体和固体之间发生的热量传递过程。

对于空气或液体冷却的锂离子电池，即是流动的冷却空气或冷却液体通过与电池外表的直接接触，将电池产生的热量带走的过程。

当流体与固体之间存在温度差异时,对流换热就会发生。

描述对流换热的根本公式为：

公式2.10

q=h〔Tw-Tf〕

当换热面积为S时，有:

公式2.11

该式被称作牛顿冷却公式，是对流换热的定义式。

其中q（w/兀）或者Q（w）为对流换热量，h为外表传热系数，又称为换热系数，单位是W/（m2・K）。

流体运动有自然对流和强迫对流两种形式。

自然对流是指当流体温度升髙时，即使没有外部作用，流体也会在自身力（如密度差）作用下产生相对运动。

强迫对流是指通过外部作用提高流体的压差来强迫流体流动。

当流体流经固体表面时，在固体外表附近，越接近固体外表流体的流动速度越低，当与固体接触的距离非常小时，流体处于停滞状态，可以看成流体与固体之间只有热传导存在。

因此，不考虑辐射时，把锂离子电池外表由热传导传递的能量作为对流换热传递的能量，由牛顿冷却公式和傅里叶定律：

-XdT

h=

VTdy

其中，h为换热系数，子为流固接触面垂直接触面方向的流体温度变化率。

影响对流换热的因素包括流动影响因素和热量传递影响因素，主要包含以下五个方面：

（1）流体流动的起因。

自然对流换热通常是由流体内部的密度差引发的，强制换热通常是风机、水泵、油泵等外部动力源引发的。

由于二者流动成因的区别，导致流体速度场的分布差异，因此有不同的换热规律。

（2）流体有无相变。

流体没有相变时的，流体的对流换热由流体的显热变化而实现，当流体在换热过程中存在相变（如沸腾或凝结）时，流体相变热的吸收或释放将会给传热过程带来很大影响。

（3）流体的流动状态。

流体力学的研究说明，粘性流体存在两种不同的流动状态一一层流与湍流。

层流状态时，流体微团沿流依主要流动方向作规那么的分层流动；

湍流状态时，流体内部各局部之间发生剧烈的混合，因此，同等条件下，湍流状态伴随着更强的换热强度。

（4）换热外表的几何因素。

包括换热外表的形状、大小、外表粗糙度。

在自然对流状态下，还包含几何布置状态。

（5）流体的物理性质。

如流体的密度、动力粘度、导热系数和比热容等等。

2.3.3锂离子电池热物性参数确实定

锂离