相變材料冷卻技術(shù)在18650鈦酸鋰電池?zé)峁芾碇械膽?yīng)用研究

張燕

摘要：伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)能源的嚴(yán)重消耗引起世界各國(guó)的重視。交通行業(yè)作為傳統(tǒng)能源的消耗大戶，在環(huán)保節(jié)能方面具有巨大潛力。因此，以動(dòng)力電池作為動(dòng)力源的電動(dòng)汽車應(yīng)用而生。然而，動(dòng)力電池在使用過(guò)程中，容易出現(xiàn)溫度過(guò)高或者過(guò)充等情況，這將造成電池性能嚴(yán)重衰退，甚至出現(xiàn)熱失效的安全隱患。鑒于此，本文主要分析探討了相變材料冷卻技術(shù)在18650鈦酸鋰電池?zé)峁芾碇械膽?yīng)用情況，以供參閱。

關(guān)鍵詞：相變材料冷卻技術(shù);18650鈦酸鋰電池;熱管理

1電池?zé)峁芾砑夹g(shù)

隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展，要求鏗離子動(dòng)力電池在極端環(huán)境或者大功率下運(yùn)行，有時(shí)候甚至?xí)霈F(xiàn)濫用的情況，所以，鏗離子動(dòng)力電池容易出現(xiàn)熱失效或者循環(huán)壽命嚴(yán)重下降等不利局面。在高溫環(huán)境下大功率放電時(shí)，熱量將會(huì)迅速的產(chǎn)生，造成電池溫度快速上升，如果不能及時(shí)將熱量散出，電池內(nèi)部的熱量將不斷的堆積，直至電池出現(xiàn)熱失效，甚至燃燒、爆炸等熱安全性問(wèn)題。電池在低溫環(huán)境運(yùn)行時(shí)，由于電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)活性受到嚴(yán)重制約，電化學(xué)性能下降，電池的冷啟動(dòng)效率低，嚴(yán)重的制約了電動(dòng)汽車在嚴(yán)寒地區(qū)的推廣和使用。

2 8650欽酸銼電池過(guò)充的安全性能

近年來(lái)，尖晶石型欽酸鏗以其較高的嵌鏗平臺(tái)、良好的熱穩(wěn)定性及長(zhǎng)循環(huán)壽命，在鏗離子負(fù)極材料領(lǐng)域展示出良好的應(yīng)用前景。在正極材料方面，成本低、無(wú)污染、低溫性能好的尖晶石型錳酸鏗成為銼離子電池負(fù)極材料研究的重點(diǎn)。因此，欽酸鏗電池體系由于其上述顯著優(yōu)勢(shì)己經(jīng)成為行業(yè)普遍研究的熱點(diǎn)。然而，安全性問(wèn)題始終是制約銼離子電池發(fā)展的關(guān)鍵因素。其中，過(guò)充是最常見(jiàn)的安全性問(wèn)題。由于過(guò)充造成過(guò)多的能量進(jìn)入電池體系，電池容易出現(xiàn)電化學(xué)性能衰退、熱失效、脹氣和爆炸等現(xiàn)象，因此過(guò)充性能研究被認(rèn)為是最重要的安全測(cè)試。AurelienDuPasquie：等研究了欽酸鏗電池體系的功率性能和提高了其循環(huán)壽命。LuW等對(duì)該電池體系的熱性能進(jìn)行了研究和分析。然而，據(jù)我們所知，到目前為止對(duì)欽酸鏗電池系統(tǒng)安全性問(wèn)題的研究仍然非常少，特別是對(duì)過(guò)充后電池電化學(xué)性能和產(chǎn)熱行為研究，極大地限制了其性能的提高以及商業(yè)化程度。

3相變材料的制備及性能測(cè)試

3.1相變材料的選擇

鏗離子動(dòng)力電池的工作溫度一般在-0℃—60℃之間，而最佳運(yùn)行溫度則為20℃—45℃內(nèi)，當(dāng)溫度超過(guò)50℃時(shí)，電池的性能會(huì)迅速下降。在電動(dòng)汽車運(yùn)行過(guò)程中，其運(yùn)行工況相當(dāng)復(fù)雜，電池極有可能需要長(zhǎng)時(shí)間大倍率放電，導(dǎo)致電池溫度急劇上升，一般會(huì)達(dá)到80℃，90℃甚至100℃。因此，當(dāng)采用相變材料作為電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)時(shí)，必須選擇相變潛熱大、相變溫度合適的相變材料。綜合以上因素，石蠟成為鏗離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)相變傳熱介質(zhì)的首選。

3.2相變材料制備

3.2.1膨脹石墨的制備

石墨是一種天然礦物，其特殊結(jié)構(gòu)決定其特殊性能：熱膨脹性小、潤(rùn)滑性、良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性、廣泛溫區(qū)內(nèi)的可使用性、化學(xué)性能穩(wěn)定且無(wú)毒性，此外還有可塑性、易加工成形等特點(diǎn)[[70，7。而石墨晶體是一種層狀結(jié)構(gòu)的碳材料，用物理或化學(xué)的方法將其他異類粒子如原子、分子、原子團(tuán)等插入到石墨晶體層間，形成一種新的石墨層間化合物（即鱗片石墨）。鱗片石墨可在高溫下急劇膨脹生成蠕蟲狀的膨脹石墨。鱗片石墨的膨脹機(jī)理是：由于鱗片石墨層間的分子間的作用力很弱，很容易在酸化氧化和電化學(xué)的環(huán)境下被其他物質(zhì)插入，插層物在高溫的條件下分解，石墨就在推動(dòng)力的作用下沿C軸膨脹幾十到幾百倍。

3.2.2活性炭粉末的制備

活性炭是一種多孔徑的碳化物，有極豐富的孔隙構(gòu)造，具有良好的吸附特性，它的吸附作用籍物理及化學(xué)的吸附力而成的，其外觀色澤呈黑色?；钚蕴恐饕且院剂枯^高的物質(zhì)制成，如木材、煤、果殼、骨、石油殘?jiān)取６谕葪l件下，椰殼活性炭的活性質(zhì)量及其它特性是最好的，因其有最大的比表面積。因此活性炭常被用來(lái)作吸附劑去除空氣和水中的雜質(zhì)。由于活性炭具有豐富的微孔，而且工藝簡(jiǎn)單，裝置制造便宜，本課題基于石蠟導(dǎo)熱性能差的不足，在石蠟/石墨相變材料基礎(chǔ)上加入活性炭粉末，在降低成本的同時(shí)提高相變材料的導(dǎo)熱性能。

4 PCM冷卻技術(shù)對(duì)18650欽酸銼電池性能的影響

銼離子動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車的核心部件，其安全可靠的運(yùn)行對(duì)電動(dòng)汽車的發(fā)展至關(guān)重要。由于鏗離子電池具有比能量大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、允許工作范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為電動(dòng)汽車動(dòng)力源的首選。然而，鏗離子電池在大電流長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)放電的情況下，將會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，如果累積在電池內(nèi)部的熱量無(wú)法及時(shí)有效的散出，電池的溫度將會(huì)迅速的上升，持續(xù)的高溫將會(huì)導(dǎo)致鏗離子電池的循環(huán)壽命降低、電化學(xué)性能衰退，甚至出現(xiàn)熱失效的現(xiàn)象。因此，有效的控制鏗離子電池的工作溫度，使其在合理的范圍內(nèi)運(yùn)行，有利于提高電池的循環(huán)壽命、減少安全事故的發(fā)生。隨著溫度對(duì)電池性能影響的日益嚴(yán)重，目前國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者己經(jīng)將主要的研究方向放在電池的冷卻系統(tǒng)上，常見(jiàn)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)主要有以下幾種：空氣介質(zhì)冷卻系統(tǒng)、液體介質(zhì)冷卻系統(tǒng)、熱管冷卻系統(tǒng)、相變材料（PCM）冷卻系統(tǒng)等。空氣冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便，然而空氣強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)低，因此該方法無(wú)法滿足電池在大倍率和高溫環(huán)境下持續(xù)運(yùn)行時(shí)的散熱需求。液體冷卻系統(tǒng)相對(duì)于空氣冷卻系統(tǒng)而言，散熱性能較好，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由于電動(dòng)汽車行駛路況復(fù)雜，容易導(dǎo)致熱管理系統(tǒng)出現(xiàn)漏液與電池接觸引發(fā)短路的安全性隱患。熱管冷卻系統(tǒng)散熱性能非常好，能有效的解決電池組大電流放電溫度過(guò)高的問(wèn)題。然而，熱管自身的形狀與電池的外形無(wú)法很好的匹配，造成熱管安裝不便，并且熱管的使用壽命較低，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后會(huì)影響電池系統(tǒng)的壽命。相變材料熱管理系統(tǒng)利用材料的相變潛熱能有效的對(duì)電池進(jìn)行散熱，并且使用壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不帶附加設(shè)備，低溫環(huán)境中還能給電池加熱，在目前的熱管理系統(tǒng)中也備受重視。

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（作者單位：天津普蘭能源科技有限公司）