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怎么进行动力电池热管理

2022-06-14 09:49:11      来源:电池在线      编辑:电池在线      人气:

烟雾、火灾甚至爆炸等常见的锂离子电池事故的根源大都来自于电池热量的“失控”。如何将电池内的热管理工作做好,为电池中的热量分子们戴上“紧箍咒”,已成为未来解决动力电池安全的

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烟雾、火灾甚至爆炸等常见的锂离子电池事故的根源大都来自于电池热量的“失控”。如何将电池内的热管理工作做好,为电池中的热量分子们戴上“紧箍咒”,已成为未来解决动力电池安全的必答题。

“锂离子电池安全与否,归根到底取决于电池能否避免热失控。”武汉大学教授艾新平介绍,在锂电池中,除了我们熟知的正常充放电反应外,还存在着潜在的负反应。

“温度越高,电池负反应的反应速度就越大,最终导致电池进入一个无法控制的自加温状态,也即热失控状态。它是导致电池发生爆炸和燃烧的主因。”艾新平进一步解释。

“采用不同的正极材料,锂离子电池的安全性就不同。”艾新平解释,这是由于正极在电池中所占的质量比是最大的,常规来说放热量也是最大,“因此正极材料的选择对电池的安全性影响非常大。”

三个层面进行热管理

“要提高电池的安全性,需从三个层面入手。一是材料层面,二是单体层面,第三个层面是系统层面。”艾新平介绍。

在材料层面,要重点提高材料和界面的热稳定性,降低其产热量;在单体层面,除优化电池热设计外,更重要的是发展热保护技术,如PTC电极、热关闭隔膜等;在系统层面,则需重点开展隔热设计,防止热扩展。

研究表明,在对电池系统的热分析中,磷酸铁锂的热稳定性从材料上来讲是最好的。“电池的安全性首先取决于自身材料的安全性。”上海交通大学特聘教授马紫峰指出,要增加电池的安全性,高能量的电池就可能需要在系统设计当中加入特定的保护装置,比如说冷却系统、防爆系统等。

在单体层面,除了常规的热安全设计外,更重要的是要建立单体自激发热保护。“让单体能根据自身感受的温度,调整自己的电流输出或功率输出。电池如果可以关闭反应,其产热也就终止了。”艾新平指出,PTC热敏电阻材料的一个重要特征就是温度升高到一定程度时,该材料就会从一个良好的导电态变成绝缘态,这将是单体热保护技术中的重要路径之一。

“除材料和单体的影响,系统也是电池安全性热管理中不可缺失的一环。“在系统中,对电池状态的估计非常重要,要用数学模型将其精确描述出来,并与电池的模型中的材料化学体系对应起来。”马紫峰表示。

“提高材料或界面的热稳定性,开发单体自激发热保护技术,以及系统热扩展防范技术,可有效改善电池系统的安全性,未来需加强研究。”艾新平表示,电池的安全性问题将伴随电池比能量提高而变得愈加严峻,但不应由此否定动力电池技术路线和发展趋势,正确面对并积极探索一些新的安全性技术,以促进电池技术进步。

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