锂离子电池温度变化热模拟研究(4)

锂离子电池温度变化热模拟研究

研究与设计

进入缓慢的自放热过程，存在电池的安全隐患。因此开放的环境或空气流通在锂离子电池的储存运输使用中必须注意。

２．３材料反应速率

锂离子电池的放热速率是由材料的反应速率决定的，图8给出了423K和428K热箱实验时电池温度的变化速率和各材料反应速率的关系。可以看出在达到热箱温度前，340K时SEI的分解反应已经发生，该反应使电池的升温速率曲线出现第一个缓峰；负极/电解液的分解反应开始于380K左右，反应速率随温度的变化幅度较小；正极/电解液的分解反反应速率随温度变应开始温度比负极稍高，约为410K左右，化剧烈。在(a)图中由于电池材料的产热速率很快和电池放热速率持平，使电池的温度不能继续上升，正极/电解液分解反应在被引发后不久，在反应速率还较低的情况下停止，没有造成电池的热失控，而(b)图中由于热箱温度较高，正极/电解液的分解反应速率迅速上升，电池温度也随之迅速上升，电解液分解反应被引发，出现了电池的热失控。

(a)

图９

绝热条件下锂离子电池温度的变化速率和材料反应

速率变化曲线图

Ｆｉｇ．９Ｃｕｒｖｅｓｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒａｔｅａｎｄｒｅａｃｔｉｏｎｒａｔｅｓｏｆ

ｌｉｔｈｉｕｍ－ｉｏｎｃｅｌｌｓｕｎｄｅｒａｄｉａｂａｔｉｃｃｏｎｄｉｔｉｏｎ

升高急剧增大，使电池的升温速率随之增大；当电池温度升高到470K附近时，电解液的分解反应被引发，此时，电池已经处于热失控状态。

因此，在锂离子电池热失控引发的过程中，SEI膜的分解提供最初的热量积累，而此后通过负极/电解液分解反应的连接，达到了正极/电解液分解反应的温度，随后电解液的分解反应最终导致热失控事故的呈现，所以对该过程中任何步骤的阻隔都可以提高锂离子电池的热稳定性。通过界面改造提高SEI膜热稳定性，提高电池自放热的开始温度，可以提高电池的使用温度；通过材料改性或新材料应用提高负极/电解液或正极/电解液分解反应的温度可以提高电池的安全温

(b)

度，或降低反应的热效应可以减少电池的放热量；通过添加剂或新体系的应用提高电解液的稳定性，降低电池热失控事故的概率和危险性。

３结论

通过锂离子电池热模型，模拟研究了热箱温度，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，结果表明：热箱温度越高，锂离子电池热失控的危险越大；增大热交换系数，减小电池容量和降低电池荷电状态使电池的热稳定性提高。

绝热条件下的模拟结果表明：在封闭环境下，锂离子电池达到368K后就有一定的危险性存在。

（ａ）４２３Ｋ和（ｂ）４２８Ｋ热箱实验中锂离子电池温度的变化速

率和材料反应速率变化曲线图

Ｆｉｇ．８Ｃｕｒｖｅｓｏｆｈｅａｔｉｎｇｒａｔｅａｎｄｒｅａｃｔｉｏｎｒａｔｅｓｏｆｌｉｔｈｉｕｍ－ｉｏｎｃｅｌｌｓ

ａｔｏｖｅｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ（ａ）４２３Ｋａｎｄ（ｂ）４２８Ｋ图８

材料反应速率和升温速率模拟结果表明：处在不同温度的锂离子电池热效应主要来源不同，正极/电解液分解反应和电解液分解反应是造成电池热失控的主要原因。

在绝热条件下研究锂离子电池材料的反应速率和电池的温升速率的关系可以更明确地了解各材料对电池热稳定性的影响。从图9中可以看出，SEI膜在368K的快速分解是电池自放热的开始，SEI膜的放热量较少，电池的温度升高幅度不大；负极/电解液的分解反应速率较慢，使电池在SEI膜分解结束后，温度上升速率较小；当电池温度上升到390K后，正极/电解液分解反应开始，该反应的反应速率随电池温度的

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