【摘 要】锂离子动力电池在快速发展的今天,其安全性能越来越受到人们的关注,其中热量是影响电池安全性能的主导因素之一。为了研究电池在使用过程中的产热问题,本文根据锂离子动力电池在倍率放电时的温升数据模拟计算了镍钴锰三元材料和磷酸铁锂材料电池及不同型号的磷酸铁锂电池的等效比热容,结果表明电池的制作材料和电池结构两个方面对电池等效比热容和电池温升数据都有影响,三元材料电池的温升速率比磷酸铁锂电池要快,体积较大极片较长的电池散热系统较差,温升较快。此结论为电池的制作工艺和材料的选择提供了依据,对锂离子电池安全性能的提升提供了数据支撑,对锂离子电池的发展具有深刻而有意义的影响。

1、引言

锂离子电池具有体积小，电压高，容量高，循环性能好，无污染，无记忆效应等优点，在近几年的国内外市场得到了迅速的发展，并成为继镍氢电池之后的新一代可充电电池［1］。锂离子电池在电子元器件，电动车，航天领域都有很广阔的应用前景。但是，在锂电池特别是锂离子动力电池的使用过程中是以电池组的形式来工作的，单体电池处于密堆积的状态，因此电池的产热问题一直困扰着人们，使其使用的安全性问题阻碍着锂离 子 电 池 的 发 展［2］。

在使用过程及存储过程中，由于电池材料［3-6］、结构［7-8］、使用工况［9］的不同，锂离子产生不同程度的热量得不到及时的散失，导致内部热量的积累，温度逐渐升高，从而引发电池内部一系列的自发热副反应，而这些副反应又会加速电池温度的升高，最终有可能造成电池的热失控而引发安全隐患［10］。因此，研究电池的产热及散热性能对电池的安全使用具有非常重要的指导作用，对电池结构的优化设计及健康管理也具有非常重要的意义。

锂电池在使用过程中的产热主要来自于四个部分：反应 热（Ｑr）、焦 耳热（Ｑj）、极 化热（Ｑp）及 分解 热（Ｑs）［11］。Ｑr是锂离子电池内部的化学反应所产生的热量，充电时 化学反应为吸热反应，所以此项值为负值，放电时化学反应为放热反应，此项值为正值；

Ｑj 是电池因内阻而损失的热量；Ｑp 是电池在充放电过程中出现极化而产生的热量；Ｑs 是电池在自放电过程中或者副反应过程中产生的热量，因为正常情况下电池的自放电很小且副反应发生的概率很低，所以此部分的热量可忽略不计。这四部分的热量在电池的不同使用工况中所占的比例是不一样的。在充电过程中，倍率较小时，锂电池的极化较小，充电前期 Ｑr的吸热作用所占比例较大，因此小电流充电时，往往会出现温度降低的现象；倍率增大时，电池的极化变大，Ｑj和 Ｑp 占的比例逐渐变大，温度增加。在放电过程中，倍率较小时，电池的温升呈现非线性变化，倍率较大时，锂电池的温升往往随着放电过程的进行呈现线性变化，这主要是因为在不同的放电阶段，电池的产热情况由不同的放热机制所主导［12］。

锂电池产生的热量不仅影响着电池自身各种性能的变化，同时还会反过来对自身加热，因此研究电池的热性能不仅要研究电池材料，电池设计，制作工艺的影响［13］，电池的使用情况对电池本身的热性能也有着非常重要的影响，研究电池在使用中的比热容对于电池的热学特性的影响有着很好的支撑作用。

2、实验对象与实验方法

以磷酸 铁 锂（LiFePO4）／石墨电池和新型的三元复合氧化物镍钴锰酸锂（LiNi1／3Co1／3Mn1／3O2）／石墨卷绕型动力电池为实验对象，采用Ｄigatron5V300A测 试柜分别对电池进行不同倍率的放电，采用拓普TP700-24温度记录仪进行温度采集，根据不同倍率下放电的温升 情 况，推 断电池的比热容，并分析不同材料，不同电池结构对电池比热容的影响。

2.1测试方法

①在实验时先测量单体电池的内阻R以及其质量；

②将温度传感器粘贴在电池中心，在每次放电前，都将电池暴露在空气中充满电，然后搁置30min以便将充电过程中释放的热量去除掉并且待电池内部重新达到化学平衡，最后将电池放置于绝热筒与外界隔热放电。由于温度记录仪采集数据时是以时间隔间为1s的实时监测，所以电池放电后1s的 温 度 数 据 已 经包括了电池放电热量传递的滞后效应；

③在 100％ SOC～80％ SOC 区间对电池进行1Ｃ、1.2C、1.5C、1.8C 分别放 电1min、10min、8min、6.7min（放电时间较短，公式中的dT/dt才可认为是常数），绝热环境条件中，记录下放电过程中的电池表面温度的变化情况；

④利用 BernardiD 等人所建立的生热速率模型［14］：

2.2测试步骤（常温）

①将电池按正负极端子接到检测柜；

②按照表１所示的工步设置进行测试，其中，表格中的充放电倍率可根据实际情况更改，充电过程暴露在外界进行，放电过程在绝热筒中进行，放点结束后1min电池热传递滞后效应结束后停止采集温度数据。

3、结果与讨论

3.1电池材料对电池比热容的影响

目前，锂离子电池由于发热所引发的安全问题在消费者心中产生了很大的负面影响，制约着锂离子电池的发展。电极材料的选择在一定程度上决定着电池的产热能力，锂电池的热稳定性是由电极材料本身和材料之间协同作用的结果［15］。因此，为了研究电极材料对电池比热容的影响，我们在不改变电池结构工艺的前提下，对相同型号相同容量的三元电池和磷酸铁锂动力电池分别进行了比热容测试。

图 1 是磷酸铁锂电池在不同倍率 （1C／13A，1.2C／15.6A，1.5C／19.5A，1.8C／23.4A）下放电的温升数据，实验中测试了电池正、负极和面中心三个点的温 度。从图中可 以看出，电池在初始的放电阶段，三个部位的温升情况基本一致，且不同倍率在短暂时间放电时温度随时间基本呈现线性关系。将以上温升数据中的不同斜率利用比热容公式模拟，如图２所示，最终得到三元材料和磷酸铁锂电池的等效比热容。

图1 磷酸铁锂电池在不同倍率（1C／13A（a），1.2C／15.6A （b），1.5C／19.5A （c），1.8C／23.4A（d））下放电的正负极、面中心点的温升情况

从图2中模拟的两种电池的比热容曲线，根据等效比热容公式计算得到三元电池的比热容为24.67J／（Kg·℃·Ah），磷 酸 铁 锂 电 池 的 比 热 容 为 40.6J/（Kg·℃·Ah）。可 见在 同 一 电 流 下 放 电 时，三元材料电池的温升情况比磷酸铁锂电池的温升要快得多，此结论从两种电池长时间的倍率放电时的温升也可以很明显地看出来，如图 3：在常温下对两种电池进行0.33Ｃ到6Ｃ的倍率放电，三元电池的温度可以达到67℃，而磷酸铁锂电池的温度最高仅达到56℃。

图3磷酸铁锂电池（a）和三元电池（b）倍率放电的温升情况

通过比较镍钴锰酸锂三元材料电池和磷酸铁锂电池的比热容，可以发现三元电池的安全性能在一定程度上劣于磷酸铁锂电池，虽然三元电池在单位瓦时成本和电压平台上优于磷酸铁锂电池［16-18］，但是其安全因素严重影响着电池的使用和发展，因此降低三元电池的温升效应，优化电池的散热系统对于三元电池的发展具有极其深刻的意义。而电池材料的选择在一定程度上决定着电池的安全性能甚至是使用寿命，因此在选择电池材料的时候，应该综合权衡电池成本，电压，温升效应等在电池使用中所起的作用。

3.2电池结构对电池比热容的影响

锂电池的温升是产热、热传导和热扩散三者共同作用的影响［19］。电池的结构直接影响着电池的热传导和热扩散，从而影响着电池在运行过程中的温升情况。为了研究电池结构对电池温升的影响，我们对同种材料制成的两种不同结构的磷酸铁锂动力电池进行了不同倍率下的放电，放电的温升曲线如图4所示。其中两种电池的结构如表2所示。

图４ 不同结构的磷酸铁锂电池的倍率放电温升曲线

从上面的倍率放电温升曲线可以看到20Ah的电池与10Ah电池相比，温升较快，这与两种电池的结构是有很大关系的。表2中说明了两种电池的结构信息，两者结构最大的区别是20Ah池的极片长度是10Ah的两倍左右，制备工艺选用多极耳工艺，而10Ah采用的是单极耳工艺。这种结构使得20Aｈ电池的内阻比10Ah电 池相对较小，用同样大的电流放电时，20Aｈ电 池产生的焦耳热较少；

但是由于20Ah电池的型号较大，极片较长，热扩散的能力与10Aｈ相比较差，因此用同样倍率的电流放电时，20Ah电池的温升较为明显。用同样的等效比热容的模拟方法计算得到10Ah电池的比热容为40.54J／（Ｋg·℃·Ah），而20Aｈ电池比热容为32Ｊ／（Ｋg℃·Ah）。这说明在制作电池工艺及电池设计时，除了注意电池的产热性能，还要注重电池内部的热扩散特性，电池的结构特性对电池的安全性能的影响同样应该得到关注。

４ 结 论

锂离子动力电池在使用中的的温升现象为其安全性能带来了极大的隐患，严重影响着锂离子电池在消费者心中的印象。锂电池的温升现象来自于两部分：产热和热扩散。前者由反应热、焦耳热、极化热及分解热四部分构成，主要受电池制作材料的影响，后者主要受电池的结构和制作工艺的影响。文章根据锂离子电池在倍率放电时的温升情况模拟计算了同种结构不同材料和同种材料不同结构的锂离子电池的等效比热容，对应几种电池在倍率放电时的温升数据，发现三元材料电池与磷酸铁锂电池的温升速率相比较快，体积较大极片较长的电池散热系统较差，温升较快。因为在设计和制作电池时，电池材料的选择和结构的制定对于电池的安全性能具有深刻的影响，而将此项作为降低电池温升速率的突破口，提高电池的安全性能，也将对锂离子动力电池的发展具有深刻的意义。

参 考 文 献

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