探究鋰離子電池?zé)峁芾淼闹鞅粍?dòng)冷卻方法

來(lái)源|Journal of Energy Storage

原文 |https://doi.org/10.1016/j.est.2023.106800

01背景介紹

化石燃料的枯竭、能源安全、氣候變化、空氣污染和碳排放是世界面臨的最大挑戰(zhàn)。在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，以電池為動(dòng)力的零排放汽車(chē)正在迅速取代傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)。由于鋰離子電池自放電率低、能量密度高、體積小、無(wú)記憶和使用壽命長(zhǎng)，因此鋰離子電池被廣泛應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)。研究也證明，鋰離子電池在20至40 ℃的溫度范圍內(nèi)有效工作，電池性能最佳。

然而，在快速充電或車(chē)輛爬坡時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。此外，在高工作溫度下，電池的溫度迅速上升，可能會(huì)降低電池的生命周期。熱失控在鋰離子電池中已經(jīng)變得越來(lái)越普遍，熱安全性已經(jīng)成為阻止其使用的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。如果這些熱量不立即消散，不僅會(huì)降低電池性能，還會(huì)引發(fā)熱失控，導(dǎo)致電池燃燒和爆炸。因此建立合適的熱管理系統(tǒng)至關(guān)重要。

電池的安全性可以通過(guò)在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(BTMS)中監(jiān)測(cè)來(lái)評(píng)估。常見(jiàn)的BTMS現(xiàn)在分為主動(dòng)冷卻系統(tǒng)和被動(dòng)冷卻系統(tǒng)。在主動(dòng)冷卻過(guò)程中，電池模組的熱量通過(guò)空氣或液體排出。而通過(guò)相變材料(PCM)冷卻是被動(dòng)冷卻。PCM優(yōu)于空氣和液體熱管理系統(tǒng)，因?yàn)樗恍枰L(fēng)扇、泵和連接等電氣機(jī)械設(shè)備。

為了提高鋰離子電池的安全性，了解它們?cè)诟邷叵碌男袨橹陵P(guān)重要。因此本文在不同的條件下，研究了不同條件下鋰離子電池的主動(dòng)和被動(dòng)冷卻的熱管理效果。

02成果掠影

近期，

美國(guó)能源高級(jí)研究中心的Naseem Iqbal教授團(tuán)隊(duì)

為了提高鋰離子電池的安全性，了解它們?cè)诟邷叵碌男袨?，探究了不同的冷卻方式以及模組的排列方式對(duì)新能源電池?zé)峁芾淼挠绊?。該研究?duì)電池組進(jìn)行了一系列充放電實(shí)驗(yàn)，以評(píng)估熱管理對(duì)電池組性能的影響。通過(guò)改變周?chē)鷹l件并使用相變材料來(lái)改善熱管理，從而分析電池之間的溫度分布。電池的一般充電放電模式顯示，與未采用熱管理的環(huán)境溫度相比，溫差高達(dá)約10 ℃，最終會(huì)隨著長(zhǎng)期使用的時(shí)間而降低電池的性能。主動(dòng)冷卻(空氣冷卻)改善了電池組內(nèi)部的熱管理，與環(huán)境溫度相比，顯示約6℃的溫差。然而，被動(dòng)冷卻顯著改善了電池組內(nèi)部的熱管理，與環(huán)境溫度相比，溫差約為3.5℃，這表明使用PCM對(duì)電池組進(jìn)行熱管理可以是一種真正提高電池組壽命和安全性的方法。

研究成果以“Thermal management of Li-ion battery by using active and passive cooling method”為題發(fā)表于《Journal of Energy Storage》。

03圖文導(dǎo)讀

表1.不同冷卻方式的優(yōu)缺點(diǎn)。

圖1.電池包模組的排列結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2.實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖。

圖3.電池模組風(fēng)冷結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4.風(fēng)冷三維結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5.模組浸入Na2SO4?10H2O. 示意圖。

圖6.(a)沒(méi)有任何冷卻系統(tǒng)的室溫下，(b)風(fēng)冷，(c) PCM冷卻下放電過(guò)程中的溫度變化。

圖7.(a)電池包1 (b)，電池包2 (c)電池包5放電時(shí)的溫度變化示意圖。

表2.不同冷卻條件下不同電池模組的溫度對(duì)比。

表3.不同冷卻條件同一電池模組的溫度對(duì)比。

表4.不同模組在不同條件下的熱管理能力。

審核編輯：湯梓紅