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“親眼”看見鋰離子電池內部的溫度分布

時間:2019-11-04 15:27來源:新能源Leader 作者:憑欄眺
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       溫度對鋰離子電池有著重要的影響,溫度過低會導致負極析鋰,溫度過高則會導致正負極界面的副反應增加,導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產生熱量,由于鋰離子電池內部隔膜的導熱性較差,因此熱量在垂直于極片的方向上熱阻較大,更加容易產生溫度梯度。大量的理論計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都會產生溫度梯度。
 
       近日,北京理工大學的XiaoDu(第一作者)和Wei-Li Song(通訊作者)、Dai-Ning Fang(通訊作者)等人開發了一種原位觀測圓柱形電池在直徑方向上的溫度分布的方法,通過該方法作者發現在3C倍率下,鋰離子電池內部的最大溫度梯度會達到4.73℃。
 
       試驗中作者采用18650電池作為研究對象,該電池的正極為NCM,負極為石墨材料,隔膜為PP/PE/PP三層復合隔膜,電解液為1M LiPF6(EC:DMC=1:1),為了方便對電池內部的溫度梯度進行觀測,作者將電池上蓋移除,并覆蓋一層光學玻璃,方便對電池內部的溫度進行觀測。整個試驗是在下圖所示的裝置內部進行的,試驗過程中作者首先以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來觀測鋰離子電池內部的溫度變化。
       由于作者對18650電池進行了改造,為了避免對電池的電化學性能產生影響,作者對改造后的18650電池和沒有改造的18650電池進行了測試(測試結果如下圖所示),從下圖可以看到經過結構改造的電池在循環性能和放電性能上沒有明顯的差距,這也表明在該試驗中測試得到的結果是真實可靠的。
       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電池內部的溫度分布,從下圖可以看到隨著放電時間的增加,電池內部的溫度逐漸升高,并且可以看到電池內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,電池內部最大的溫度差僅為0.5℃。下圖b為電池內部在不同角度上,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部的溫度分布基本上是一致的,這表明在1C倍率下放電時電池內部的溫度是非常均勻的,沒有產生顯著的溫度梯度。
       放電倍率對鋰離子電池的產熱和電池內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,18650電池內部的溫度分布。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,并且放電倍率對于電池內部溫度的影響非常大。在3C倍率下,電芯中間溫度最高可達70℃,電池內外的最大溫差也達到了4.73℃,遠遠高于0.5C和1C倍率放電。
       下圖為不同放電倍率放電時,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℃,而當電池的放電電流增加到3C后,電池內部的產熱顯著增加,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部的溫度梯度是比較常見的現象,但是由于鋰離子電池的密封結構,我們僅能夠觀測電池外表的溫度,這不利于鋰離子電池的熱設計,Xiao Du采用的方法讓我們能夠通過紅外相機直接看到鋰離子電池內部的溫度分布,對于指導鋰離子電池的設計生產和檢驗鋰離子電池產熱模型具有重要的意義。
(責任編輯:子蕊)
文章標簽: 鋰離子電池 電池溫度
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