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电池热分析及测试方法知识简介

   次浏览   新能源时代   2020-06-02

一、电池产热的影响

     1. 放电/充电过程,特别是大倍率充放时会产生大量热量;

     2. 内部热量聚集,会引起内部温度升高;

     3. 影响电池材料热稳定性,并发生性能衰退;

     4. 影响电动汽车的经济性和适用性,由此引发的安全性和地寿命等存在制约;

     5. 低温下启动内部极化大,瞬时发热量会造成电池的不可逆损失。

概念

英文(单位)

概念解释

吸热反应

Endothermal  reaction

反应物总能量小于生成物总能量的反应。

放热反应

Exothermic  reaction

反应物总能量大于生成物总能量的反应。

热管理

Temperature  management

对锂离子电池的热量或温度的管理。

热稳定性

Thermal  stability

表征锂离子电池承受变化热量或温度变化的能力。

热失控

Thermal  runaway

蓄电池在恒压充电时电流和电池温度发生一种积累性的增强作用并逐步损坏。

热辐射

Thermal  radiation

物体由于具有温度而辐射电磁波的现象。

热量

Heat(J)

锂离子电池工作时与外界系统之间依靠温差传递的能量。

温度

Temperature(K)

表征物体冷热程度的物理量。

温升

Temperature  rise(K)

锂离子电池工作时高出外界系统的温度。

反应热

Reaction  heat(J)

锂离子在正负极产生的电化学反应产生的热量。

焦耳热

Joule  heat(J)

锂电池工作时,电荷在电池内部转移时,克服电池内部欧姆电阻而产生的热量。

极化热

Polarization  heat(J)

锂电池在充放电过程中,因电流作用在正负极上发生极化现象而产生的热量。

分解热

Decomposition  heat(J)

电池在自放电过程中或者副反应过程中产生的热量。

比热容

Specific  heat capacity(J/(  kg·K  ))

单位质量物体改变单位温度时吸收或放出的热量。

导热系数

Thermal  conductivity(W/(m·K))

在稳定传热条件下,对于两侧表面温差为1K的单位厚度的材料在单位时间内通过单位面积所能传递的热量。


二、电池产热的影响——热失控

1. 系统层面的热失控

 演变:电池老化(演化)&突发事件(突变);

 触发:发生热失控与起火燃烧的转折点;

 扩展:单体或少量电池触发后向周围传递,发生次生危害。

2.电芯层面的热失控

① 产热速度过快,导致大量的热量在锂离子电池的内部积聚,诱发了一系列的副反应(如负极SEI膜分解,正极活性物质分解,释放出氧化性很高的游离氧,与电解液发生氧化反应),这些副反应会进一步导致锂离子电池内部的热量积聚,压力增大,最终导致锂离子电池起火爆炸,形成严重的安全问题。

 内部诱因低温充电、负极缺陷和过充导致负极形成的锂枝晶穿透隔膜引发短路,锂离子电池内部多余物刺穿隔膜引发短路等;

③  外部诱因大电流放电,正负极短路,高温,挤压、针刺等因素;

 安全阀发生热失控且内压到阈值时,安全阀破坏,释放内压,避免更严重问题;


阶段

图示

温度

范围

特征描述

I

6(a)

50-100

当热失控触发发生后,电池因受到异常加热而温度升高,此阶段电池发生高温条件下的容量衰减。

II

6(b)

90-120

电池负极表面SEI膜分解,负极与电解液直接接触并发生反应。反应放出量热仪可测的热量,绝热条件下,电池温度受自生热影响继续升高。温度在100~110℃,电解液气化导致电池膨胀,安全阀可能会打开,部分电解液泄漏。

III

6(c)

120-140

PE基质的隔膜吸热熔化并开始闭孔。由于隔膜的关断效应,电池内阻迅速上升。该款电池的隔膜上具有陶瓷涂层,隔膜闭孔后不会迅速崩溃造成内部大规模短路的发生。

IV

6(d)

140-260

正极/负极分别与电解液发生反应,反应放热造成电池温度继续升高。随着温度的升高,反应放热速率逐渐加大。

V

6(e)

260-740

陶瓷涂层崩溃,电池内部发生大规模内短路,电池电压急坠为零,并放出大量的热。内部高温反应同样集中释放出大量的热量。瞬时累积的大量热量带来电池温度的瞬间大幅升高,即热失控发生。另外,生热反应也会产生大量的气体,电池内部压力急剧升高,电池内部物质随着高压气体喷出。

VI

6(f)

740-850

热失控快速放热后,部分残留的放热反应还能够将电池温度再升高一段,直到达到最高温度。

VII

6(g)

850-常温

热失控放热反应结束,残余物降温至常温。

3. 热失控触发的原因

采用绝热量热仪(EV-ARC)来进行热失控特性的测试

4. 热失控扩展分析

       25 Ah 三元锂离子电池(具有约0.1kWh的电能)热失控时释放出的能量约为630kJ,相当于0.15 kg TNT当量。而60 kWh 纯电动车的动力电池系统而言,则相当于释放出 90 kg TNT当量的能量。

 传递途径

     ① 相邻壳体之间导热;

     ② 电池极柱的导热;

     ③ 单体电池起火对周围电池炙烤。

5.电池的产热特性

5.1产热来源
     反应热(Qr)、焦耳热(Qj)、极化热(Qp)及分解热(Qs)。

     ① 反应热

   充电时,电化学反应表现为吸热,为负值;

   放电时,电化学反应表现为放热,为正值。

 焦耳热

即欧姆内阻产热,即来源于电极材料、电解液、隔膜电阻及各部分零件的接触

电阻。

      ③ 极化热

即电流作用在正负极上发生极化现象而产生的热量,来源于电化学极化和浓差极化引起的电阻。

     ④ 分解热

电池在自放电过程中或者副反应过程中产生的热量,正常情况下可忽略。

5.2 生热模型
  总生热量

     ② 电池生热模型


默认内部温度均匀,与电池形状无关。Benadi提出以下模拟模型:

    5.3  比热容和生热速率

   ①  比热容的计算

   ② 生热速率计算 

  5.4 简单散热模型

  ①   散热率计算:

 ②柱形电芯散热模型:

 方形电池散热三维模型:

5.5 电池的产热的测试

单体电芯温度测定——测试仪器

①   多路温度测试仪;②红外热成像仪;③加速量热仪(ARC)。

单体电芯温度测定——测试部位

   表面温度测定;内部温度测定;

③ 绝热条件下测定(ARC中)

绝热条件下,电池的温度仅由其产热水平、质量和比热容决定,表征其发热水平更为准确。

热失控的测定:

针刺;挤压;短路;ARC绝热测试(模拟热无法及时散失下的反应动力学参数)。

5.5电池的产热的模拟仿真

常用软件:COMSOL Multiphysics、MATLAB、CFD-ACE+、Star-CCM+、ANSYS、ProE、CATIA等。

COMSOL Multiphysics为例

内置众多物理、化学、电学等的数据和模型;

有针对电化学的专门的模块;

通过模拟可以观测和理解电池工作的内部温度分布和外部散热情况。

5.6 电池包的热管理设计


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