锂离子电池温度变化热模拟研究

锂离子电池温度变化热模拟研究

锂离子电池温度变化热模拟研究

王松蕊，付亚娟，卢立丽，刘兴江

（中国电子科技集团公司第十八研究所化学与物理电源技术重点实验室，天津300381）

摘要：利用锂离子电池热模型对环境温度，热交换系数，电池大小以及电池荷电状态对电池温度变化的影响进行了模拟计算研究；结果表明：环境温度越高，电池热交换系数越小，电池越大，荷电状态越高，电池发生热失控的温度越低，概率越大。同时还模拟了绝热条件下锂离子电池的自放热过程。关键词：锂离子电池；热模拟；热失控中图分类号：ＴＭ９１２．９

文献标识码：Ａ

文章编号：１００２－０８７Ｘ（２０１０）０１－００４１－０４

Thermalsimulationontemperaturechangesforlithium-ioncells

WANGSong-rui,FUYa-juan,LULi-li,LIUXing-jiang

(NationalKeyLabofPowerSources,TianjinInstituteofPowerSources,Tianjin300381,China)

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｏｖｅｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ｓｉｚｅ，ａｎｄＳＯＣｏｎｌｉｔｈｉｕｍ－ｉｏｎｃｅｌｌｓ

ｈｅａｔ

ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｒｍａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．ｅｘｃｈａｎｇｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ，

Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｗｉｔｈｏｖｅｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｉｓｉｎｇ，

ｌａｒｇｅｒｓｉｚｅａｎｄｈｉｇｈｅｒＳＯＣｏｆｃｅｌｌｓ，ｔｈｅｒｍａｌｒｕｎａｗａｙｈａｐｐｅｎｓａｔｌｏｗｅｒ

ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｗｉｔｈｈｉｇｈｅｒｒｉｓｋｓ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｈｅｓｅｌｆ－ｈｅａｔｉｎｇｏｆｌｉｔｈｉｕｍ－ｉｏｎｃｅｌｌｓｗａｓｓｉｍｕｌａｔｅｄｕｎｄｅｒａｄｉａｂａｔｉｃｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌｉｔｈｉｕｍ－ｉｏｎｃｅｌｌｓ；ｔｈｅｒｍａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｔｈｅｒｍａｌｒｕｎａｗａｙ锂离子电池有比能量大，循环寿命长，单体电压高，自放电小等优点，成为各种先进的电子设备和电动工具的主要能量来源，也逐步应用于电动车等要求大体积，高容量的动力能但是锂离子电池在应用中潜在的安全问题，尤其是动源领域。

力用锂离子电池组，已经成为制约其发展的一个瓶颈。

锂离子电池具有较高的能量密度，在充放电过程中，伴随着多种化学、电化学反应和物质传输过程，有些反应在开路的情况下仍然进行，这些过程会造成热量的产生，这些产生的热量不能完全散失到环境中就会引起电池内部热量的积累。如果热量的积累造成电池内部的高温点，有可能引发电池的热失控。

对锂离子电池的模拟可以进一步理解锂离子电池热失控的起因和过程，为锂离子电池安全性的提高提供参考。锂离子电池模拟的方法有很多，主要分为电化学模拟和热模拟两类：一类是基于物质，电荷的扩散守恒，能量守恒建立的模型[1-5]，主要模拟不同条件下电池的充放电过程。这类锂电池的模型在等温电化学模型上的锂/锂离子电池模型模拟电池的静态放电过程，多孔电极理论，利用宏观均相来近似描述固相和溶液间的各种可能的变化；浓溶液理论，溶液中的物质平衡和传递；球坐标下的Fick扩散方程描述固相中的物质平衡和扩散；能量守恒来计算电池的温度；发展了一个几乎适应于所有锂电池系统的一维模型；另一类是基于电池材料，电池的热性质实验,主要用于模拟电池温度分布,热行为和安全性的模型[6-10]。

收稿日期：２００９－０７－１５

作者简介：王松蕊（１９７８—），女，山东省人，博士，主要研究方向为电池热模拟。

Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：ＷＡＮＧＳｏｎｇ－ｒｕｉ（１９７８—），ｆｅｍａｌｅ，ＰｈＤ．

计算不同操作条件下（环境温度，滥用，短路，损坏）电池的温J.N.Howard[7]等度变化和分布及其安全性，其中B.Barnett[6]，人从电池整体的角度模拟了锂离子电池内短路时的热失控过程；J.R.Dahn[8],R.Spotnitz[9]等人以正负极材料的热性质为基础，模拟了锂离子电池的热失控。

本文在Dahn的电池模型[8]基础上，通过模拟计算环境温度，电池参数，电池状态等因素对LiCoO2/C电池热行为的影响，更深入的理解电池热失控的起因和过程。

１模型的建立

锂离子电池的热失控模型由热量在电池内外的扩散/传递和各电池材料反应的放热速率组成。其中：

热量的扩散/传递

T

δρÁc (KÁ T)=QÁ

t（1）

式中：ρg/cm3；cpi为各电池材料的比热i为各电池材料的密度，容，J/(g·K)；T为温度，K；t为时间，s；κi为导热系数，W/(m·K)；Q为所有电池材料的总反应放热量。

Q=∑HÁρÁRÁ

式中：Hi为各电池材料的分解反应放热量，J/g；Ri为各电池材料的热反应速率，包括：负极SEI膜的分解反应速率。

（3）

负极/电解液的分解反应速率：

（4）

（2）Á

４１

２０１０．１Ｖｏｌ．３４

Ｎｏ．１