过充循环对锂离子电池容量衰减及安全性影响北大核心CSCD

随着能源问题的出现,锂离子电池已成为人们关注的热点。本工作以18650型NCM811锂离子电池为研究对象,将电池过充至3个不同的截止电压(4.3 V、4.4 V、4.5 V)并循环一定的次数(180次)直到电池容量大幅度衰减,基于测试分析4.5 V过充循环电池的交流阻抗谱和容量增量曲线来定性和定量地研究电池容量衰减机理。研究发现活性锂离子的损失和活性材料的损失是电池容量衰减的主要原因,电池电导率的损失对电池容量衰减影响不大。通过绝热加速量热仪(adiabatic rate calorimeter,ARC)研究新电池,4.3 V、4.4 V和4.5 V过充循环电池在100%SOC下的热失控特征参数(自产热起始温度T_(1)、热失控触发温度T_(2)、热失控最高温度T_(3))。发现在热失控发生过程中,电池达到相同的温度时,4个电池的温升速率大小分别是新电池<4.3 V过充循环电池<4.4 V过充循环电池<4.5 V过充循环电池。电池在经过过充循环之后热稳定性变差。过充循环后,电池的自产热起始温度降低、热失控触发温度降低。     

老化电池的放电性能与充放电产热特性

当前车用动力电池老化性能衰退问题日益凸显,动力电池老化后的性能受到了广泛关注.本文以18650型NCM811锂离子电池为研究对象,探究电池老化后的放电性能和充放电产热特性.为说明电池老化后的性能变化,以同型号新电池的对应性能参数作为参考量.开展了不同环境温度和不同放电倍率条件下电池的放电性能试验,得到电池放电电压曲线、...     

基于电化学-热耦合模型的锂离子电池组件产热分析北大核心CSCD

研究电池电化学过程产热对锂离子电池的热管理至关重要。本工作建立了三元NMC锂离子电池的电化学-热耦合模型,首先通过对该电池进行不同倍率的放电与温度实验测试,验证了该模型在电压和温度变化预测准确性。然后针对不同温度下的表现进行模拟仿真研究。在室温下,无论倍率大小,负极产热总是小于正极产热,虽然负极的极化热高于正极,但其可逆吸热较大,导致产热水平低于正极。而随着放电倍率的增加,正极产热所占比例减小,负极所占比例先增加后减小,而集流体产热所占比例持续增加。然而,低温条件下的电池放电表现出与室温情况不同的产热特性,首先,低温导致低倍率负极产热率比例大大增加,负极可逆热为总可逆热的主要贡献热。而高倍率负极产热率减少,正极则呈相反趋势。其次在低温下放电时间随倍率增加呈现不同趋势,高倍率下放电电压快速降低导致放电不完全,在低倍率0.5~1 C放电运行时出现了电压反弹现象但基本放电完全,这是由于低温限制了负极颗粒内部锂离子及时向外扩散,造成电阻增加与电压快速降低,同时大量产热导致自身温升,从而在低倍率下获得电压反弹并保持持续放电的能力。     

Influence of cycling on the heat-release and thermal runaway of the lithium ion battery under adiabatic condition

随着锂离子电池能量、寿命的提升,对安全性需求也越来越高,温度对电池的寿命和安全有着重要影响。以钴酸锂/中间相碳微球体系电池为研究对象,采用加速量热仪研究了不同工作电流、不同循环老化周期电池的产热特性和热失控行为,电池的发热量随着充放电倍率的增加而增大。通过比较不同循环老化周期电池的产热速率,发现容量衰减速度与直流内阻、产热量之间存在很强的关联性。从热失控行为研究发现,自放热起始温度为105.4℃,随后发生连续自放热,直到温度达到149.7℃热失控起始温度,发生内短路,最终导致电池热失控。循环后电池的热失控过程中自放热和热失控起始温度稍有变化,热失控时间大大缩短。     

18650三元锂离子电池的放电热特性

通过某18650型NCM锂离子电池在恒温箱温度为40℃、25℃时的0.5 C、1 C、2 C放电倍率实验与0℃、-25℃时0.5 C倍率的放电实验,得到不同温度与放电倍率下电池的电压与温度曲线,并验证电化学-热耦合模型的可靠性,在25℃时模型精确度最高,电压误差为0.07 V,温度误差为0.8℃,-25℃时精确度最低,电压误差为0.6 V,温度误差为1.5℃.借助模型进行25℃时电池的电极产热分析,并模拟25℃温度条件下2 C放电时的温度场分布,放电结束时电池正负极极耳处温度最高,具体数值为34.8℃,与气流正对的电池表面的温度最低,数值为34℃,在气流后侧距电池中心50 mm处的模型边界处受电池产热与气流的影响温度上升4℃.     

超高功率密度锂离子电池放电性能及容量预估研究

研究一种以钛酸锂氧化物（LTO）为负极材料的锂离子电池，对电池在不同倍率下的性能以及温升情况进行研究，并对电池在66C(C为最大容量)的放电倍率下进行连续循环放电测试，通过实验可得：电池在66C状态下达到最大温升，最高温度51.72℃，达到最大温差25.65℃，其中最大产热率为739.97 W,66C放电倍率下电池放电深度仅为总电量的42%，随着循环次数以及放电倍率的增加，电池的内阻呈逐渐减小的趋势，最小为0.63 mΩ。最后根据电池在高倍率下的循环放电，对卡尔曼滤波算法进行改进，应用扩展卡尔曼滤波算法对电池的容量衰减进行预测，验证了此算法在高倍率放电情况下的适用程度，误差最大控制在0.05以内，达到了良好效果。     

基于电化学热耦合模型的富镍锂离子电池产热分析

锂离子电池在工作过程中产生的热效应会影响其温度和电化学性能,并极大地影响电池的安全性和使用寿命.分析电池在放电过程的热特性变化规律及产热机制,评估电池内部不同性质的产热对温度变化的相互作用,对于电池热管理系统的设计起到至关重要的作用.因此,本工作以富镍三元锂离子电池为研究对象,建立了基于动态参数响应的电化学热耦合模型,在0℃和40℃环境温度下分别进行了 0.3 C、1C放电与温升实验验证,验证结果表明耦合模型具有较好的精确性和可靠性,能够准确地分析电池热特性.基于验证后的模型,研究了富镍锂离子电池在不同放电倍率、环境温度、换热环境下的温升特性,并进一步分析了电池内部生热机理及发热特性.结果表明:放电倍率的增大使得电池的总产热量迅速增大,同时加剧了电池内部的温度不均匀性,正负极熵热系数较大的差异性使得正极区域产热较大而负极产热较为平缓.研究结果能够为锂离子电池的热性能评估和电池组的热管理系统设计提供一定的指导意义.     

石墨-石蜡复合相变材料的圆柱型动力电池组热管理性能

本工作以21700容量型NCM811锂离子动力电池为研究对象,设计了正六边形布置的电池模组,外覆圆柱型石墨-石蜡复合相变材料的结构.利用数值模拟方法探究了不同恒定倍率放电,以及相邻两电池不同间距对模组热特性的影响.结果表明,对于不同倍率,相邻电池间距对电池模组高倍率放电过程中的温度影响要远大于低倍率放电过程,而对于相同倍率,小间距模组从放电开始至结束的温升要高于中间距和大间距模组.电池温度的变化相对于热流量在时间上有一定滞后,通过监测热流量的数值,能够对电池热管理的失效做出提前预知,提高电池组的安全性.     

21700锂离子电池在不同健康状态下的热失控实验研究

开展锂离子电池热失控研究,可为提升电池热安全、减少新能源汽车热灾害等提供重要帮助。针对高比能21700型NCM811锂离子电池热滥用、老化等因素引起的热失控问题,通过实验研究了电池健康状态（state of health,SOH）对电池充放电特性及自身热失控行为的作用机制,量化分析了电池老化特性与热失控触发时间、表面温度、工作电压、燃爆特性、能量、TNT当量及破坏半径等特征参数。发现能量效率随着老化循环次数的增加而降低,电池热失控的温升幅度随SOH的减小而下降,同时其自产热起始温度、热失控触发温度与安全阀脱落温度均减小,这表明老化电池热失控触发所需的时间更短,60%SOH电池在608 s触发热失控,相比于100%SOH缩短了64.8%。SOH越小,电池热失控剧烈程度越弱,热失控后的质量损失也越小。电池热失控过程的峰值温度、释放的能量、TNT当量与破坏半径随SOH的减小而降低,表明老化电池较新鲜电池热失控破坏性降低。研究结果可为全生命周期21700电池热失控的行为特征分析、预警与火灾防控等提供参考。     

Simulation and verification of lithium-ion battery temperature changing process

针对软包锂离子电池放电过程中温度变化过程进行研究,依据电池产热基本理论,通过内阻实验及0.5 C放电倍率下的温升实验计算出瞬态生热率曲线,得出电池熵热系数,建立生热速率随放电深度不断变化的瞬态生热模型,基于该模型进行不同放电倍率的温度仿真模拟,并与实验进行对比。结果表明,温度变化模拟结果与实验相吻合,生热率变化模拟结果与实验计算值相符合,模型可以很好地模拟电池在不同放电倍率下的温度变化,对电池温升过程分析及电池热管理过程控制具有指导意义。     

Analysis of safety performance of lithium-ion power battery during life cycle based on non-destructive testing

基于在不同条件下对车用三元锂离子动力电池的充放电循环试验，分析电池寿命衰减程度及其影响因素。利用X-ray无损检测技术，测试以不同倍率大小电流进行充放电循环前后三元锂离子动力电池的内部结构变化，并评价了电池寿命衰减和安全失效程度，为研究电池寿命衰减及安全失效提供了新的方法。在充放电循环周期过程中，随着电池容量的不断衰减，基于无损检测技术可以获得电池内部结构出现越来越明显的缺陷，说明电池的寿命衰减速度越来越大，其安全性也越来越差。以不同倍率大小电流进行充放电循环后，将不同SOH状态下内部结构的断层扫描图像进行对比，发现车用三元锂离子动力电池的内部结构发生了不同程度的变化，说明与循环前相比电池的使用寿命有不同幅度的衰减。     

NCR18650A电池的充放电温度特性与管理

采用实验测试与数值仿真的方法对NCR18650A三元锂电池组在1 ~ 3 C放电和1.6 C充电过程的温升特性进行测试,同时验证所建立电池产热模型的准确性。结果显示,实验测试结果与电池产热模型仿真结果之间的相对误差在合理范围内,满足工程应用需求。电池组在自然冷却的情况下,仅在1 C放电状态下符合其最佳工作区间42.5 ~ 45.0℃的要求,3 C放电倍率下最高温度为89.4℃。提出并建立基于热电致冷主动热管理模型,将热电致冷组件设置在电池组上方,致冷功率为50 W时可有效控制电池组3 C放电过程的温度,在最佳工作区间实现电池单体温差小于5℃,抑制电池组的热失效并实现良好的均温性。     

磷酸铁锂储能电池过充热失控仿真研究

锂离子电池的热失控是导致储能电站发生起火或爆炸等安全事故的根本原因,研究锂离子电池热失控的发展规律和本征特性对于电化学储能电站的安全监测和故障预警具有重要意义。建立了磷酸铁锂储能电池在过充条件下的三维电化学-热耦合热失控的仿真模型,通过镀锂动力学方程量化过充负极镀锂量,引入SEI膜生长动力学方程反映镀锂与电解液反应速率,以量化负极镀锂与电解液反应产热,并引入其他副反应产热方程共同研究磷酸铁锂电池早期过充热失控温度变化及各副反应产热情况。分别研究了不同充电倍率(1C、2C、3C),不同环境温度(20℃、30℃、40℃)下磷酸铁锂电池热失控早期负极表面镀锂量变化、热失控温度变化曲线以及各副反应产热量变化特性,分析磷酸铁锂电池过充热失控温度发展过程及副反应产热规律。结果表明,负极镀锂与电解液反应作为过充热失控过程最起始的副反应,在电池热失控早期促使了其他副反应的开启,成为过充热失控的起始。本研究可为磷酸铁锂电池过充热失控早期过程探究提供理论参考。     

过充、过热及其共同作用下车用三元锂离子电池热失控特性北大核心CSCD

锂离子电池作为目前电动汽车的主要能源电池,其在外界滥用条件下的热失控问题受到广泛关注,研究不同滥用下尤其是多种滥用共同作用下的电池热失控特性可有效提高电池使用安全性。本工作以车用50 Ah方型动力三元锂离子电池单体作为研究对象,利用大功率充放电循环仪和电加热装置,进行了1 C倍率过充、150 W局部过热及其共同作用下的电池热失控实验。对不同工况下热失控实验现象、质量损失、温度变化、升温速率变化、升温部位和电压变化等实验结果进行对比分析,结果表明:过充过热共同作用下电池热失控具有更大危险性,电池热失控时间比单一滥用减少约35%,热失控时电池SOC比过充减小约35%,电池电压会出现“持续上升—突降至零”现象。本研究可为车用三元锂离子电池热管理系统安全设计提供参考。     

过充循环老化电池产热特性

锂离子电池凭借其良好的性能,在新能源汽车的发展过程中备受青睐,但电池成组后因为电池的不一致性等原因会造成部分电池出现过充电现象,长期循环会影响电池的性能和寿命。本工作对某锂离子电池分别进行了4.3 V、4.4 V和4.5 V的过充循环试验,通过对新电池及过充循环后的电池进行开路电压温度系数测试、混合功率脉冲测试和等温量热测试获得了电池的熵热系数、等效直流内阻和产热功率及产热量,并利用Bernadi产热模型计算了电池的可逆热和不可逆热,综合分析过充循环对电池充放电产热特性的影响。结果表明,高的过充电压对电池性能影响更加明显,与新电池相比,4.3 V、4.4 V过充循环后的电池内阻增加并不明显,4.5 V过充循环后电池内阻最大增加了42.41%;过充循环后的电池熵热系数曲线波动更加明显且幅度随着循环电压的增大而增大;相比于放电,过充循环对电池的充电产热特性影响更明显;在电池产热的热源中,过充循环会先对可逆热产生影响,且随着过充电压的升高,可逆热占比呈现出增大的趋势。     

Experimental researches on thermal runaway in cylindrical LiFePO4 batteries during nail penetration

锂离子电池在发生针刺之后会造成内部短路,进而产生大量热量和浓烟以至引发热失控。本文通过模拟实验剖析圆柱型磷酸铁锂电池针刺后的内部结构,结合理论分析探究针刺热失控产热机理。以自行设计搭建的磷酸铁锂电池针刺热失控实验平台为基础,在初始20℃室温下采用Φ5 mm的钨钢针刺穿电池,观测电池的热失控发展情况以及电池电压、表面温升变化规律。根据实验结果得到以下结论：①针刺对圆柱型磷酸铁锂电池造成的热失控剧烈情况带有随机性;②电池电压在针刺后下降至0V,若破坏过程中电池内部热反应气体泄漏甚至发生爆炸则电压下降更迅速;③电池温度在被刺破后迅速上升,其温升趋势总体随破坏程度增加而加快。综合来看,针刺对磷酸铁锂电池的损坏是不可逆且通常会并发热失控,因此建议在设计电池结构时应当充分考虑防针刺及对电池进行额外保护。     

锂离子电池电-热耦合模型分析及其温度场仿真研究

锂离子电池由于放电过程产生大量的热,不可避免的使得电池温度升高。研究大倍率放电时的电池温升,忽略电化学反应热,进一步简化原有的生热模型。为了得到电池温度分布,从电池内部结构出发,根据电流密度在集流板上的分布以及极耳处的收缩/扩散效应,分析集流板上电流密度的分布规律,从而建立电池的电-热耦合模型。通过生热模型模拟电池放电过程的温升现象,并与实验结果对比,发现模拟结果与实验结果能够很好地吻合。文章给出了电池在不同放电倍率条件下放电终了时的温度分布图,并解释了造成这种分布现象的原因。     

基于液冷电池模组的结构优化与热蔓延抑制

本工作通过数值仿真研究了一种新型液冷壳体结构的电池模组热性能,并通过实验测量验证液冷壳体结构的散热和热蔓延抑制特性。模组由4×5颗圆柱电池和液冷壳体组成,壳体内部设计流道提供液冷散热。仿真模型通过建立电池模组的等效电路子模型(ECM)模拟电池产热,研究壳体内部流道排布对热性能影响,以电池模组最高温度、最大温差和进出口压降作为性能评价指标,并引入期望函数以获得优化的壳体流道排布。基于优化的流道组合制备了一进两出的液冷壳体,组装三元18650真实电池模组进行热性能实验研究。研究发现：一进两出结构的热性能优于一进一出结构,3 C放电速率和1 m/s入口流速下与基准案例相比,最优情形1(短边侧一进两出流道排布)的最高温度增加了0.3%,但温差减少了8.87%,压差减少了66.5%。真实电池模组实验中充放电倍率越大,电池温度越高,汇流排焦耳效应影响越大。降低冷却液温度会导致放电时间变短、电池模组能量效率下降。最后采用高功率电池产热模型模拟热失控,实验发现在热失控功率600 W下相邻电池温度在57.4℃,不会发生热失控与热蔓延,即新型液冷壳体兼具散热、均温和热蔓延抑制作用。     

LiF添加剂改善含锂陶瓷隔膜与4.35 V LiNi_(0.8)Co_(0.1)Mn_(0.1)O_(2)正极的界面稳定性北大核心CSCD

锂离子电池用LiNi_(0.8)Co_(0.1)Mn_(0.1)O_(2)(NCM811)正极,具有较高比容量和较低成本的优点,但是其在高电压长循环时正极界面极不稳定、安全性能亟待提高。虽然锂快离子导体Li1.2Ca0.1Zr1.9(PO4)3制备的陶瓷隔膜在很大程度上可以解决电池的安全性问题,但是与NCM811正极界面稳定性差。本工作通过在陶瓷隔膜中添加具有稳定界面功能的氟化锂(LiF)的方法来解决此问题。采用扫描电子显微镜(SEM)、热重分析(TGA)、差示扫描量热法(DSC)、机械拉伸强度、热收缩、吸液率、电化学阻抗谱(EIS)、线性扫描伏安法(LSV)和充放电测试等方法进行表征。结果表明,当LiF占涂覆无机陶瓷颗粒总质量的10%时,得到的陶瓷隔膜性能最佳:具有良好的离子传输性能(室温离子电导率提高至9.5×10^(-4)S/cm)和最佳的界面稳定性。隔膜组装的Li||LiNi_(0.8)Co_(0.1)Ni_(0.1)O_(2)扣式电池在3.0~4.35 V的高电压范围以0.3 C倍率循环400次后,放电比容量从195.2 mAh/g减少到119.9 mAh/g,保持初始容量的61.4%,而没有添加LiF的陶瓷隔膜电池仅为32.7%。含LiF的陶瓷隔膜提升电池循环稳定性的原因是形成了高质量的高压正极/电解质界面膜,稳定了正极与陶瓷隔膜的界面,使正极材料在高电压下仍能保持结构的稳定。因此,本工作制备的陶瓷隔膜为NCM811正极在高电压锂离子电池中的商业化应用提供了一种便捷方法。     

Lithium battery thermal management system for hybrid vehicles

为研究动力电池组的温度特性以及维持其工作在最佳的温度范围内,以锂离子电池为研究对象,设计了一种新型混合动力汽车的电池热管理系统,利用空调系统和发动机排气系统来调控电池组的温度。建立了锂电池组的三维瞬态产热数值模型,以电池组的三维尺寸和进风口流速为输入参数,以降低电池组的最大温升和提高电池组的温度均匀性为输出参数,利用FLUENT仿真软件和DesignXplorer模块进行联合优化设计了电池组的结构。优化后的电池组的温升比优化前降低了5.39 K,电池组温差降低了6.41 K。分析了恒倍率放电以及对流换热系数对单体电池温升的影响,研究表明：放电倍率越大电池温升越快,放电结束后电池的温度越高,在对流换热系数小于30 W/（m²·K）时,散热效果明显。对电池组在不同条件下加热或者冷却进行了仿真分析,验证了该电池热管理系统的可行性。