储能热安全:从微观机理认识锂离子电池产热来源
    次浏览 发布时间:2024-10-21    来源:旭和储能   关键词:
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据能源圈了解到,

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锂离子电池,作为储能设备和交通工具的核心动力源,其产热问题一直是科研人员和用户关注的焦点。那么,这些热量究竟从何而来?又如何影响电池的性能和安全呢?本文将走进锂离子电池产热的微观世界,从理论的角度深入分析产热的根源。

在锂离子电池中,由于一系列可逆和不可逆的电化学反应产生热量,其热源可大致分为三种类型:可逆热Qr、极化热Qp和副反应热Qs。

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可逆热

可逆热Qr通常解释了电化学反应过程中活性材料的可逆熵变ΔS。一旦测得ΔS,即可根据下方公式计算Qr的量。

其中I为外加电流,T为绝对温度,n为电化学反应中演化的电荷数,F为法拉第常数,E为电池平衡时的开路电压,∂E /∂T为熵变项。电化学过程是吸热还是放热取决于所涉及的材料。例如,石墨/锰酸锂和石墨/ LiFePO4体系的Qr在放电过程中为负值(冷却效应),充电过程中为正值(加热效应),而石墨/ LCO体系则相反。根据公式,Qr与I ( C – rate )和∂E有关。

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极化热

极化热Qp是电池系统中不可逆热的一种。当对电池施加电流( I )时,电池工作电势( Uc )与热力学平衡电势( Ue )之间总是存在偏差,代表电池的电压极化。充放电过程中额外的能量消耗激发了热量的产生,单位时间内产生的Qp可以用下面的方程来描述:

电池电压极化的原因包括欧姆极化、活化极化和浓差极化。

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副反应热

Qs表示电池中非期望的放热化学反应产生的另一种形式的不可逆热,包括SEI膜和正极-电解质界面( CEI )的分解,电解质和电极材料之间的反应。一般来说,这些副反应会在临界温度下被触发,随着副反应的进行,其产生的热量不断积累,提高电池温度,继续引发热链式反应。

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在所有的热源中,可逆热Qr可以是吸热或放热,取决于电化学反应的熵系数,而不可逆热Qp和Qs是放热。可逆和不可逆产热速率受多种因素影响,包括充电、放电速率、环境温度、荷电状态( SOC )和电极微观结构等。通常,在低充放电倍率下可逆热占主导地位,而在高充放电倍率下欧姆热占主导地位。如果电池系统中的反应的放热速率持续高于系统散热速率,热量就会在电池内不断积累,电池内部副反应发生,温度不断上升,直至电池发生热失控。

资讯来源:旭和储能


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