电池中的温度梯度对性能和寿命有影响吗？

   热管理之家   2023-06-05 次浏览

大多数电池在我们乐于运行的温度范围内都能正常运行，即 0°C 至 35°C。然而，在许多应用中，我们希望它们能够在零度以下和更高的温度下运行。

根据环境的极端情况，电池可能需要加热和/或冷却。

此外，电池单元的基本操作随温度而变化。这意味着电池中的温度梯度会对性能和寿命产生重大影响。

（1）电池产热

下面表达式给出了电池产热，可以定义电池中的热量产生。

该等式的第一部分是不可逆的焦耳热项，即 I2R 项。

第二部分是可逆熵项或反应热项。充电和放电反应在一定条件下可以是放热或吸热的。

其中：I = 电流 [A]，Voc = 开路电压 [V]，Tref = 参考温度 [K]，T = 电池温度 [K]。

（2）比热容

在许多应用中，我们使用电池的热容量来缓冲充电和放电过程中产生的峰值热量。电池的比热容和质量可用于预测电池在某特定工况期间会变得多热。

锂离子电池的热容量范围在 800 到 1100 J/kg.K 之间

NCA 830 焦耳/公斤.K

NMC 1040 焦耳/公斤.K

LFP 1145 焦耳/公斤.K

电池的最高工作温度将限制电池充电或放电的时间。即使电池是被动冷却的，这种设计也很可能意味着热量会传导到其他组件和结构。

（3）电池导热系数

热量从电芯到冷却系统的热传导是设计电池组时需要考虑的重要导热路径。

无论我们以何种方式冷却电池，我们都会在电池中产生温度梯度。

不可能对电极的所有活性区域进行冷却，这很好，但会显着降低整个电池组的能量密度。所以我们必须对电池的外表面进行冷却。

让我们从基础开始，看看热传导。

电池中的活性材料由铜、铝电极和隔膜层压而成。热导率根据它是在平面内还是通过平面而变化。平面内的电导率将由金属电极决定，大约比通过平面的电导率高 10 到 100 倍。

（4）电池温度梯度

电池中的最大温差通常指定为 ~2°C，以最大限度地减少电池容量的下降。这一要求将推动电池选择与应用以及冷却系统设计。

高温和阳极上的SEI层生长得更快。如果 SEI 层快速生长，它往往会变得更加多孔和不稳定。

在低温下，我们看到较慢的扩散和嵌入以及析锂的可能性。析锂会从活性电池中去除锂，从而降低电池容量。此外，析锂随后会变成锂枝晶，从而导致电短路。

（5）电池温度限制

电池使用有许多温度限制，其中一些限制比其他限制更严格。在使用动力电池之前，有必要大体了解这些内容。

这些温度会随着化学成分和电池制造商的不同而变化，因此，使用制造商建议的限值非常重要。此外，您将需要测试电池，以详细了解电池在您的应用中的行为与温度的关系。

（6）电池冷却系统

有许多不同的冷却系统/介质用于动力电池冷却或加热，主要选项有：

1.风冷

2.液冷

3.冷媒直冷，如比亚迪。或宝马。或广菲克。

对于所有这些冷却方法，有许多混合方法。例如被动冷却也可以包括相变材料。除了关于每种方法可以散掉多少热量的基本标准之外，所有这些方法都有利有弊。

此外，我们需要查看电池活性材料和冷却剂系统之间的路径。该途径必须考虑电气隔离、导热性、化学相容性和力学。还必须考虑该通路在整个寿命要求中的行为，因为电池电阻会随着时间的增长而增加，因此它们往往会为相同的性能产生更多的热量。

（7）电池储存

电池单元可以承受很宽的存储温度范围。然而，锂离子电池会在储存中老化，并且老化会随着温度而增加。

锂离子电池最好储存在 5°C 到 20°C 之间，SoC 在 30% 到 50% 之间是最佳的。

镍金属氢化物电池可在 -20°C 至 35°C 之间储存。松下建议其电池的温度范围更窄，为 10°C 至 30°C。