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“亲眼”看见锂离子电池内部的温度分布

   次浏览   新能源Leader   2020-07-01

温度对锂离子电池有着重要的影响,温度过低会导致负极析锂,温度过高则会导致正负极界面的副反应增加,导致锂离子电池加速衰降。锂离子电池在充电和放电的过程中都会产生热量,由于锂离子电池内部隔膜的导热性较差,因此热量在垂直于极片的方向上热阻较大,更加容易产生温度梯度。大量的理论计算都表明无论是在方形、圆柱形,还是在软包电池中大电流工作时都会产生温度梯度。


近日,北京理工大学的XiaoDu(第一作者)和Wei-Li Song(通讯作者)、Dai-Ning Fang(通讯作者)等人开发了一种原位观测圆柱形电池在直径方向上的温度分布的方法,通过该方法作者发现在3C倍率下,锂离子电池内部的最大温度梯度会达到4.73℃。


试验中作者采用18650电池作为研究对象,该电池的正极为NCM,负极为石墨材料,隔膜为PP/PE/PP三层复合隔膜,电解液为1M LiPF6ECDMC=1:1),为了方便对电池内部的温度梯度进行观测,作者将电池上盖移除,并覆盖一层光学玻璃,方便对电池内部的温度进行观测。整个试验是在下图所示的装置内部进行的,试验过程中作者首先以0.046A的电流将电池充电到4.2V,然后分别以0.2C0.5C1.0C3C倍率将电池放电到2.5V,通过电池上部的红外相机来观测锂离子电池内部的温度变化。


由于作者对18650电池进行了改造,为了避免对电池的电化学性能产生影响,作者对改造后的18650电池和没有改造的18650电池进行了测试(测试结果如下图所示),从下图可以看到经过结构改造的电池在循环性能和放电性能上没有明显的差距,这也表明在该试验中测试得到的结果是真实可靠的。

下图为上述18650电池在1C放电的过程中,在不同的放电深度时电池内部的温度分布,从下图可以看到随着放电时间的增加,电池内部的温度逐渐升高,并且可以看到电池内部的温度分布也变的更加不均匀,在靠近电芯中间的位置温度较高,而在靠近电芯边缘的位置的温度较低。

为了让电池内部温度分布的效果更加直观,作者分析在直径方向上不同位置处的温度随放电深度的变化(如下图a所示),从下图可以看到在1C放电的过程中,电池内部最大的温度差仅为0.5℃。下图b为电池内部在不同角度上,电芯直径方向上的温度分布,可以看到在不同角度上电池内部的温度分布基本上是一致的,这表明在1C倍率下放电时电池内部的温度是非常均匀的,没有产生显著的温度梯度。

放电倍率对锂离子电池的产热和电池内部的温度分布具有重要的影响,下图为18650电池在不同倍率放电,不同放电深度时,18650电池内部的温度分布。从图中能够看到,放电的过程中电池中间芯骨位置的温度最高,电池外部的温度较低,并且放电倍率对于电池内部温度的影响非常大。在3C倍率下,电芯中间温度最高可达70℃,电池内外的最大温差也达到了4.73℃,远远高于0.5C1C倍率放电。


下图为不同放电倍率放电时,电池在不同角度方向上的温度分布,从图中可以看到电池在不同角度方向上也存在散热的差异,在0.5C较小的倍率下,电池产热较少,因此不同角度方向的散热差异比较小,1C倍率下电池的产热仍然比较小,因此不同角度方向上的温度差异小于0.1℃,而当电池的放电电流增加到3C后,电池内部的产热显著增加,不同方向上的散热差异变的显著起来,最大的差别可以达到0.94℃,表明电池在不同角度方向上也存在一定的散热差异。

电池在放电过程中内部的温度梯度是比较常见的现象,但是由于锂离子电池的密封结构,我们仅能够观测电池外表的温度,这不利于锂离子电池的热设计,Xiao Du采用的方法让我们能够通过红外相机直接看到锂离子电池内部的温度分布,对于指导锂离子电池的设计生产和检验锂离子电池产热模型具有重要的意义。


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