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新能源汽车用锂电池热效应研究

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孙新城方斌

摘要：锂电池是电动汽车未来发展重要的动力源，在锂电池的开发过程中，安全设计与评估在预防热失控引起的着火等问题中发挥着重要的作用。根据锂电池的工作原理及热效应原理，采用模拟技术，建立锂电池在充放电工作状态下的物理模型，评估锂电池的充放电时的热效应。该文介绍了运用COMSOLMultiphysics软件建模的方法来测试锂电池在充放电过程的放热情况及工作过程中冷却液对电池热量传导的效果，为进一步研究电动汽车用锂电池热安全性能提供数据参考。

关键词：锂电池COMSOLMultiphysics热效应

：TM912：A：1674-098X（2014）09（c）-0030-02

锂电池具有很高的比能量，放电电压平坦，使用温度范围宽广，湿搁置寿命长等诸多优点。其中磷酸铁锂电池的综合性价比最好，与传统的锂离子二次电池正极材料，磷酸铁锂电池使用的尖晶石结构的LiMn2O4和传统锂离子电池使用的层状结构的LiCoO2相比，LiMPO4的原物料来源更广泛、价格更低廉且无环境污染。磷酸铁锂电池1C充放电循环寿命可达2000次以上，从而使其具有超长寿命，安全性高，环保且不需要稀有金属等诸多优点，基于这种良好的性能，磷酸铁锂电池在储能电池和汽车动力电池方面具有诱人的应用前景。

新能源汽车的动力源主要是由单体锂电池通过串并联等方式组合而成的巨大锂电池组，这种电池组对大电流充放电有较高要求，尤其是其在汽车正常工作条件下，面对各种工况，锂电池组通常要在短时间内急剧的放电，在进行快速充电时又要进行急剧充电，这样的工作状态就会导致电池组内部产生大量的热量。这些产生的热量必须及时的散发掉，如果不能及时散发掉，将会使电池组的温度在一定时间内升高，影响电池的正常工作甚至造成安全事故，同时，电池长期处于这种工作状态下，将会严重降低电池的使用寿命。该文将以单体锂电池为研究对象，系统的研究锂电池在绝热、隔热和自然散热条件下充放电过程中的热效应，为锂电池在新能源汽车动力电源方面的应用打下基础。

1锂电池的热效应

锂离子电池分别用两个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二次型电池。靠锂离子在正负极之间的移动来实现电池的充放电。目前锂离子电池正极材料主要使用的是LiCoO2，充电时，电池两极间的电压迫使正极的LiCoO2释出锂离子，嵌入电池负极排列呈片层结构的锂-碳化合物中；放电时，锂离子则从负极片层结构的锂-碳化合物中析出，重新和正极的化合物结合，锂离子的移动产生了电流。

电池反应热：磷酸铁锂电池的电化学反应如下：

充电：正极：LiFePO4-xLi+-xe→xFePO4+（1-x）LiFePO4

负极：x6C+xLi+xe→xLiC6

放电：正极：FePO4+xe+xLi→xLiFePO4+（1-x）FePO4

负极：xLiC6-xe→xLi+x6C

锂离子电池反应产生的热量：

；

锂离子电池极化产生的热：；

锂离子电阻产生的焦耳热：；

锂离子电池内部气体产生得到的副反应热；对于锂离子电池来说此部分热量非常小，研究时将其忽略。

2锂离子电池的热效应模型

锂离子电池从外形分类一般分圆柱形和方形，而聚合物锂离子还可制成任意形状。该文以方形锂离子电池为研究对象。根据锂电池热效应的基本原理，建立一个直角坐标系内的空间锂离子电池热效应数学模型，用数学的方式描述锂离子电池热效应的基本状态。数学模型的建立通常实在理想的情况下进行的，锂电池的热效应数学模型也不例外，这就要求我们对电池进行必要的简化，具体简化如下：

（1）因为我们分析的是液态锂离子电池，其内部电解液几乎不流动，可以将电解液的对流散热效应忽略。

（2）锂电池在工作过程的辐射热影响非常小，可以忽略不计。

（3）因为数学模型是在理想情况下建立的，假定电池的各种参数不变，忽略温度对其的影响。

（4）电池的正负极及电解液的材料是各项同性的。

（5）热量在电池内部是均匀分布的。

（6）锂电池在各个方向上具有相同的导热系数。

基于以上的简化，在直角坐标系内根据锂离子电池热效应的原理，建立锂离子电池的热效应数学模型。

式中：x，y，z分别为沿着电池长度、宽度和厚度的方向；λ为导热系数；T为温度；t为时间；Q为电池内部单位体积的热生成率；单位为W/m；即每单位体积电池的热生成量；ρ为电池的平均密度；C为电池的平均比热容。

从锂离子电池热效应数学模型中可以看出锂离子电池在放电过程中，产生的热量主要来源于以下几个方面：

（1）SEI膜分解的产生的热量；

（2）电解液与嵌入锂产生的热量；

（3）粘结剂与嵌入锂产生的热量；

（4）溶剂与锂盐发生的电解液产生的热量；

（5）正极LiCoO2发生的分解反应时产生的热量；

（6）锂金属的反应产生的热量。

上面这些