18650型锂离子动力电池热特性研究

修改时间：2021年05月11日10:24:57基金项目：国家重点研发计划项目（2018YFC0809500）编辑D 电脑XF-C 排图文CH 校对GMCC １23摘要：为了探究锂离子电池在不同环境压力下的热特性，实验通过动压变温实验舱和ISO-9705烟气分析仪作为实验条件载体，对100%SOC （荷电状态）的18650圆柱锂离子电池在不同环境压力（30、50、70、90kPa ）下进行热失控实验。

结果表明，无论是常压还是低压环境下，由外部热源引起热失控都可分为三个阶段；随着环境压力的降低，电池表面中心峰值温度、热释放速率、总热释放量均降低，燃爆响应时间点延长；在30kPa 时燃爆响应时间点为515s ，比90kPa 条件下延长了348s ；90kPa 时电池热表面峰值温度为703℃，是30kPa 环境压力下的1.299倍；随着环境压力的下降，CO 气体的释放量逐渐增加，CO 2、C x H y 的释放量逐渐减少。

可见常压环境下锂离子电池表现出更高的热危害性，低压环境下表现出更大的毒危害性风险。

关键词：锂离子电池；热失控；荷电状态；热释放速率中图分类号：X913.4；TM912.9文献标志码：A 文章编号：1009-0029（2021）05-0605-05锂离子电池（LIBs ）兼具循环寿命长、高电压、几乎无记忆效应以及比能量高等特点，早已在移动人工智能设备、混合以及全电动汽车和航天航空产品中广泛应用。

但是，因锂离子电池热失控引起的火灾和爆炸事故频繁发生，给人们的生命财产造成了不可挽回的损失。

锂离子电池在使用过程中造成这些事故的因素较多，多数是对LIBs 进行滥用而导致LIBs 进入热失控。

滥用条件如：内外部短路、过充过放电、碰撞、外部加热和自加热等。

LIBs 在进行运输时，会遇到一系列的问题，如：运输过程当中的颠簸、电池意外放电、短路、挤压，特别是针对航空运输还牵涉到气压的变化等等。

另外，锂离子电池在较高的环境温度以及不良的散热条件下也容易触发自热反应。

锂离子电池可逆与不可逆生热特性研究李维平;李隆键;陈化雨【摘要】以商用圆柱形18650电池为研究对象,利用Bernardi简化生热模型,综合考虑了电池单体在不同温度、不同荷电状态(SOC)下的实际生热情况,通过混合脉冲功率性能放电测试(HPPC)和开路电压测试,拟合得到电池单体生热、直流内阻与SOC、温度的函数关系.结果表明,电池单体的生热与温度、SOC有很大关联,建立的单体生热模型可为动力电池包热管理的模拟和优化提供参考.【期刊名称】《汽车工程学报》【年(卷),期】2019(009)002【总页数】7页(P123-129)【关键词】电动汽车;锂离子电池;生热;热管理【作者】李维平;李隆键;陈化雨【作者单位】重庆大学能源与动力工程学院,重庆 400044;重庆大学能源与动力工程学院,重庆 400044;重庆大学能源与动力工程学院,重庆 400044【正文语种】中文【中图分类】TM911锂离子动力电池热管理技术对动力电池在电动汽车领域的安全高效利用具有重要作用。

一般来说，电池单体最佳工作温度是在15℃～35℃，而实际电动汽车的工作温度则处于较大的波动范围。

因此，为防止电池工作温度的急剧变化导致不可控反应的发生，需对锂离子电池包的换热方式进行优化，一方面控制工作环境的最高温度，另一方面控制内部温度的一致性，预防电池包内部局部热点的产生，保证电池包整体性能的高效和安全。

在工程应用中，电池单体常被视作均匀发热体，忽略生热特性对电池电化学反应过程以及单体空间上温度的不一致性等因素的影响，利用集总参数思想简化成一维热模型。

在最初的研究中，BERNADI等[1]将电池生热分成不可逆热和可逆热两部分，研究了工作电流与电压降对电池生热的影响。

随着研究的深入，发现电池的瞬态生热量受温度、SOC、充放电倍率等因素的影响。

GERVER等[2]和XU等[3]研究了温度对电池特性参数的影响。

INUI等[4]、LIU等[5]、KARIMI等[6]研究了SOC和温度与电池生热的关系，为电池单体生热模型的建立提供了建议。

锂离子电池充放电过程中的热特性研究作者：张志超郑莉莉戴作强杜光超张洪生来源：《青岛大学学报（工程技术版）》2019年第04期摘要：为了在某一恒定温度下准确研究电池充放电过程中的吸放热特性，本文以18650 LiCoO2电池为实验对象，采用等温量热仪和充放电柜对锂离子电池在充放电过程中的产热行为进行研究。

研究结果表明，随着充/放电倍率的增大，电池放热速率明显升高，在20 ℃条件下，1 C倍率放电后期产热速率较0.3 C增加了530.5%;在同一倍率条件下，LiCoO2电池0 ℃与40 ℃相比，充电时间增加了10.2%，严重影响了LiCoO2电池的充电性能;在相同条件下，放电过程中电池产热量要远大于充电过程中电池产热量。

本文为电动车用锂电池热安全研究提供了可靠的参考依据。

关键词：锂离子电池; 等温量热仪; 热特性; 放热速率; 放热量; 锂电池热安全由于锂离子电池具有高比能量、高比功率和高充放电效率，所以对锂离子电池性能的研究引起了学者们的广泛关注[1-3]。

由于动力锂电池在频繁充放电过程中内部将产生大量热量，如果产生的热量不能被及时散发掉，会导致电池组的工作温度过高，从而影响电池性能，甚至引发安全事故[4-5]。

另外，锂离子电池在低温下存在脱嵌锂不平衡、循环倍率性能差、比容量低等问题[6-9]，因此，通过研究低温下锂电池的产热问题，对提高电池性能和安全性具有指导作用。

目前，国内外关于锂电池产热方面的研究主要集中在分析外界环境温度、充放电倍率、老化程度等对电池温升的影响。

罗英等人[10-13]研究了不同老化状态对锂离子电池产热的影响，表明电池温度随着循环次数和搁置时间的增加而增加;林春景等人[14-16]对不同温度下锂离子电池温升进行了实验研究，结果表明，随着外界环境温度的增加，电池温升越来越大;张亚徽等人[17-19]研究了充放电倍率对电池温升的影响。

以上研究只是定性分析了各因素对锂电池温升的影响，而没有定量分析各因素的影响程度。

18650圆柱形电芯的产热行为研究王子缘;张国庆;高冠勇;吕又付【摘要】随着新能源汽车的不断发展,提高动力电池运行时的热安全性倍受关注.通过实验方法测试出18650单体电芯在恒流1 C放电倍率下的电压、电流、温度及时间数据,通过能量守恒估算电芯的理论产热值为3901.51 J,并且计算出电芯的平均比热容与平均发热功率分别为5.37 J/(g·K)与1.08 W.同时采用计算机仿真的方式，模拟出18650电池在1 C恒流放电时的表面/截面温度云图,与实验得出的数据对比并进行验证，实现其最高温度的误差值小于等于1℃,为后续的电动汽车热灾害评估打下理论基础.%With the continuous development of new energy vehicles, increasing the thermal safety of the power battery attracts more attention. The data of current, voltage, temperature and time of the 18650 single cell are tested under the constant current 1 C discharge rate, the theoretical calorific value of the cell estimated to be 3 901.51 J based on law of conservation of energy, and the average specific heat and the average heating power is calculated through experimental method to be respectively 5.37 J/(g·K) and 1.08 W. At the same time, the surface/section temperature image of the 18650 single cell through 1 C constant current discharge is simulated by the way of computer simulation. Compared with the experimental data and verified, the error of the maximum temperature is less than or equal to 1℃, which lays a theoretical foundation for the follow-up evaluation of the electric vehicle thermal disaster.【期刊名称】《广东工业大学学报》【年(卷),期】2017(034)001【总页数】5页(P45-49)【关键词】电芯产热;热安全;能量守恒【作者】王子缘;张国庆;高冠勇;吕又付【作者单位】广东工业大学材料与能源学院，广东广州 510006;广东工业大学材料与能源学院，广东广州 510006;广东工业大学材料与能源学院，广东广州510006;广东工业大学材料与能源学院，广东广州 510006【正文语种】中文【中图分类】TK112电动汽车由于车内体积空间限制且电池在特定环境需要超高倍率放电，存在发热安全隐患. 另外，近年来电动汽车在续航、安全性等方面屡屡出现问题. 国内对电动汽车动力电池往往更加注重容量的高密度，电动汽车在行驶过程中，动力电池放电电流波动起伏，特别是在启动、加速等情况电流变化较大且产热不均衡[1]. 过热、燃烧、爆炸等安全问题一直是电池安全性的重点，热量的产生与迅速堆积必然引起电池内部温度升高，尤其在高温环境下使用或者在大电流充放电时，可能会引发电池内部发生剧烈的化学反应[2]，产生大量的热，若热量来不及散出而在电池内部迅速积聚，电池可能会出现漏液、放气、冒烟等现象，严重时发生剧烈燃烧甚至爆炸.在锂离子电池运行工况下，随着外界热和电扰动，放热反应不断进行[3]，温度不断上升，当达到电池内部特定材料的相应温度点时会激发新的放热反应，从而迫使温度继续上升[4-5]，如图1所示. 无节制地使用锂离子电池严重影响其充放电性能、循环寿命以及燃烧、爆炸等热安全问题，制约着电动汽车用锂离子电池的发展[6-8].本文通过实验测试手段，测量18650单体电芯的充放电数据，采用计算机积分方式估算出电池的理论产热并且通过该值计算出电芯的平均比热与平均发热功率，为后续的热灾害评估打下基础[9].1.1 实验平台搭建采用CMICR18650F8电芯，电压和电容量分别为3.7 V和2 600 mAh，重量为46 g，用厚度为10 mm的隔热材料进行包裹，见图2. T型PFA热电偶线通过温度巡检仪测电芯表面温度，如图3所示，探头置于电池正负极中间表面处. 采用的设备分别有型号为BK-3096LP/20的蓝奇固态锂电池自动检测化成设备，ADAM-4118温度测试模块，台式电脑以及直流稳压电源.1.2 测试方法电池的中部表面布置了热电偶，电池两头焊15 mm长镍片，镍片上焊接AWG16导线，导线长约200 mm，上述组合用0.1 mm厚的PVC热缩膜套紧绝缘. 图4表示采用直流稳压电源对电芯进行0.5 C充电，充电过程经历恒流再恒压过程，充电时间为133.76 min. 充满后搁置30 min，采用固态锂电池自动检测化成设备对电芯进行1 C/3 C放电，在常温中进行，见图5.对于双电解液电池，忽略混合焓值变化以及相变过程的影响，为简化计算，电池的反应热用Qr来表示[10]；由电池极化引起的能量损失用Qp来表示；电池内存在着副反应，典型的副反应是电解液的分解和自放电，副反应引起的能量损失用Qs 表示；电池存在着电阻，产生焦耳热Qj[11-14]. 所以，一个电池总热源可表示为本文通过实验测试的方法，分析处理18650电芯在运行过程中时间与电流/电压的关系，作出电池瞬时功率与时间的曲线图P-T，然后对其积分算出有效面积，估算出电池的实际总产热值，该过程需要准备两份文件，分别是电池放电温度数据以及电池放电电流电压特性数据，采集的时间间隔一致[15-17].2.1 放电时间与压降分析对CMICR18650F8单体电芯进行0.5 C充电，1 C/3 C放恒流放电，其电流电压特性曲线见图6.从图6可看出电芯的恒流稳压充电平台稳定，总耗时133.76 min，充入总电量为2 600 mAh. 在1 C恒流放电倍率下，电芯截止电压下降至2.75 V，放出总电量2 600 mAh，总耗时60.37 min. 3 C放电倍率下，总耗时5.43 min，放出电量700 mAh，电芯无法高倍率放电，下面采用1 C恒流放电数据进行电池产热行为分析.2.2 放电时间与电芯温度分析对单体电芯进行充放电的实时温度采集，作出时间-温度曲线图，见图7.从图7能清晰地看出电芯在1 C恒流放电倍率下的温度特性，其中放电持续60.37 min，最高温度达到47.6 ℃，放电前后最大温差可达15.8 ℃，环境温度恒定在(33±0.5) ℃波动. 由比热容公式根据后续的电池总产热，算出电池的理论平均比热容[18-19].2.3 放电时间与瞬时功率分析处理电芯放电时间与电流/电压的关系，作出电池瞬时功率与时间的曲线然后对其积分算出有效面积，估算出电池的实际总产热值，详细见图8.从图8曲线，用瞬时功率(W)对时间(min)积分，采用计算机积分的方式可算出曲线所包围的面积ABCD即为1 C放电情况下电子负载（固态锂电池自动检测化成设备）实际功耗Qt.从热力学第一定律可得，电池产热值理论上可视为电池标称总功与电子负载实际功耗之差，再扣除电池剩余电量. 电池标称总功为其中U表示电池充电结束搁置15 min后的电压值，∆U表示电池1 C放电起步时的压降值，实验值(U-∆U)=3.81 V，代入计算得35 881.51 J. 电池剩余电量Q剩余代表电芯在放电后电芯本身的剩余电量，1 C放电后电芯的剩余电量在电池行业内可忽略不计，所以电池总产热理论值为3 901.51 J. 从热量角度考虑电池产热为其中欧姆内阻可从内阻仪测量得出, 极化内阻小于欧姆内阻，因此这种产热估算研究方式合理，可做参考. 其平均比热容C平均计算得5.37 J/(g·K). 单体电池平均发热功率Pr为电池发热量与发热总时长的比值为1.08 W.3.1 能量守恒与控制方程对于单体电池自身的吸热量，由于电池材料以及结构复杂，视为各向异性，导热非常复杂，在直角坐标系中沿坐标轴x、y、z的热流密度可表示为：质量守恒定律：动量守恒定律：能量守恒定律：对流换热系数方程：3.2 计算分析根据上述实验平台的搭建思路以及测试数据，整理出该实验对象18650单体电池的相关热物理参数，见表1.采用三维瞬态导热模型，根据上述两章实验平台搭建与实验工况选取确定边界条件，得出18650单体电池1 C放电的温度云图.从图9、10可以看出，18650电池在规定的边界条件下以1 C倍率的恒流放电，电池放热，表面的最高温度达48.3 ℃，沿着z轴方向温度呈降低趋势，最低为46.2 ℃. 温度分布规定符合实验值，其中电池在1 C放电下表面最高温度的实验值与模拟值的误差小于等于1 ℃，可作对照分析.本文采用18650单体电芯恒流放电测试的方式，分别采集了电流、电压、温度及时间数据. 研究表明，单体电芯在环境温度为(33±5) ℃，不受外部条件干涉下1 C 放电平台趋于稳定，温度特性为Tmax=47.6 ℃，最大温差∆Tmax接近16 ℃，电芯产热行为明显. 处理电芯放电时间与电流/电压的关系，作出电池瞬时功率与时间的曲线，采用计算机积分方式可算出曲线包围的面积，根据热力学第一定律及能量守恒，估算出电芯在1 C恒流放电下的总产热量为3 901.51 J，其平均比热容为5.37 J/(g·K)，平均发热功率为1.08 W，同时采用的计算机仿真的方式，模拟出18650电池在1 C恒流放电时的表面/截面温度云图，与实验得出的数据对比并进行验证，实验其最高温度的误差在1 ℃之内，为后续的电动汽车热灾害评估打下理论基础.【相关文献】[1]饶中浩, 张国庆. 电池热管理[M]. 北京: 科学出版社, 2015, 7-8.[2]RAO Z H, ZHAO Y M, HUANG C L, et al. 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基于18650型磷酸铁锂动力电芯的产热和电化学行为分析张江云;张国庆;黄启秋;王烨【摘要】测试某知名进口和国产的A款和B款18650磷酸铁锂动力电芯在室温(25℃)、低温(–20℃)和高温(55℃)下不同放电倍率的温度性能、产热行为和电化学性能,分析两款电芯放电容量、放电电压平台、交流阻抗、电芯过充循环后直流内阻随着荷电状态的变化规律.结果表明环境温度和放电电流越高,电芯最高温度和温升斜率急剧增加;室温10 C放电时,B款最高温度比A款增加13.2％;B款电芯低温工况大电流放电时,电芯仅放出2.65％的电量,几乎失去正常放电电压平台;电芯的直流内阻随着荷电量的增加呈下降的趋势,过充导致电芯的直流内阻最大增加24.19％.【期刊名称】《广东工业大学学报》【年(卷),期】2018(035)004【总页数】6页(P94-99)【关键词】18650磷酸铁锂动力电芯;温度性能;产热行为;电化学性能【作者】张江云;张国庆;黄启秋;王烨【作者单位】广东工业大学材料与能源学院,广东广州 510006;广东工业大学材料与能源学院,广东广州 510006;广东工业大学材料与能源学院,广东广州510006;广东工业大学材料与能源学院,广东广州 510006【正文语种】中文【中图分类】TK112作为最早、最成熟、最稳定的锂离子电池，18650电芯的生产工艺一致性和安全性都达到了非常高的水平，前期主要应用在电子产品领域中[1-3]. 特斯拉（TESLA）纯电动汽车的成功运营极大地提高了18650电芯的动力电池市场占有率，提升了18650电芯在电动汽车及动力电池市场的无限潜力，同时使18650型电芯火热成为新能源汽车业界的首选[4-5]. TESLA的首款电动车型Roadster动力电池由6 831块18650电芯组成，最终实现电池组内各单体电池的温度差异控制在±2 ℃内，行驶10万英里后，电池组的容量仍能维持在初始容量的80%～85%[6-8].TESLA的Model S款纯电动汽车电池组（400 V/85 kWh）采用7 104节18650锂电池，从而实现百公里加速3.2 s, 续航440 km[9-11]. 而国内整车厂也将18650电芯应用电动汽车整车，比如江淮的IEV5采用18650电芯，最高时速为120 km/h，续航200 km；能量密度180 Wh/kg；同时新大洋、北汽、广汽、长城、长安等国内知名整车企业纷纷将18650型电芯作为主要的技术路线[12]. 由于18650电芯生产工艺的高度成熟和优良的一致性，国内电池乃至电动汽车厂商目前纷纷将18650动力电芯应用于电动汽车作为动力电源[13-14]. 但是对于自身选用的电芯乃至同行业的18650电芯的产热行为、产热机理并没有作深入的分析和研究，对于不同加工工艺生产的电芯产热量以及温度分析、热计算等没有系统的理论和实测数据作为支撑，这给企业在筛选电芯和使用过程中带来一定的困扰和阻碍，尤其18650电芯应用动力电池领域，更是对放电倍率、产热量及安全性提出更高标准要求. 作为电动汽车的“心脏”，关于动力电池快速充放电过程中产生的过热及散热问题，目前有用石墨烯修饰的正极材料能够很好地解决快速充放电的问题和快速散热的问题，以5C以上速率充放电超过1万次，容量下降小于10%[15]；中国科学院深圳先进技术研究院研发的柔性超快充放电池，具有120 C的超高倍率性能，依然可以保持232 Wh/kg的高能量密度，显著提升了电池的快充快放特性，同时保持了高能量密度和循环性能[16-17]，并大幅提升了电池的快充快放能力，以上更多是从材料学的角度，通过研发新材料及材料改性解决电池的安全性能和散热问题.本文主要从传热学和产业化应用的角度出发，对两款技术规格相似的进口和国产A 款和B款18650磷酸铁锂动力电芯在室温（25 ℃）、高温（55 ℃）和低温（–20 ℃）工况下不同放电倍率的温度性能进行实验测试，对比两种电芯在产热及温度性能上的差异，同时分析电芯在不同工况下的电化学性能差异，包括放电容量、放电时间和放电电压平台、交流阻抗. 并对两款电芯进行过充循环实验，分析过充循环后电芯直流内阻随不同荷电状态（State of Charge，SOC）的变化规律. 相关研究和数据将为产品的产业化应用提供一定的基础数据和理论指导，并为后续电池组的热管理系统设计提供产热数据及机理支撑.1 实验部分1.1 实验材料和设备实验采用两款技术规格相似的进口和国产18650磷酸铁锂动力电芯，分别标记为A款和B款，两款电芯的技术规格参数如表1所示.表1 电芯的技术规格参数Tab.1 Technical parameters of the cells标称电压/V 3.3 3.3标称容量/mAh 1 100 1 100最大充电电流/A 1.5 1.1充电截止电压/V 3.65 3.65最大持续放电电流/A 30 49.5放电截止电压/V 2.0 2.0电芯重量/g 39 38实验所用到的设备包括1台BTH-80C型高低温恒温恒湿实验箱、1台CT-3001W-50V120A-NTF型充放电柜、1台34901A型安捷伦（Agilent）以及1台装有测试软件的电脑主机构成，另外还有ZIVESP1电化学工作站、YR1030电池内阻测试仪. 测试实验平台如图1所示.图1 测试实验平台Fig.1 Testing scheme of experiment platform1.2 恒流充放电实验将电池搁置在对应温度定值运行的恒温恒湿箱中，当电芯正极、负极、中部3个测温点温度差值小于0.3 ℃且在目标环境温度范围（±0.5 ℃）内时, 对A款和B款18650型磷酸铁锂动力电芯分别在室温工况（25 ℃）、低温工况（–20 ℃）以及高温工况（55 ℃）下使用1 C恒流充电，待达到充电截止电压3.65 V时，恒流充电过程结束；接下来恒压充电过程开始，待截止电流达到238 mA时，整个充电过程结束. 搁置20 min，当电芯正极、负极、中部3个测温点温度波动最小温度接近一致，且降温至目标环境温度范围（±0.5 ℃）时，并在各个对应温度环境工况下不同倍率放电，分别是0.5 C、1 C、3 C、5 C、10 C，放完电后搁置15 min使电池表面温度完全冷却. 电芯放电过程中分别对其正极、负极和几何中部位置布置T型热电偶进行温度采集，温度采集时间间隔为1 s，具体如图2所示.图2 电芯实验过程测温点分布Fig.2 Thermocouple arrangement in the experiment1.3 电芯交流阻抗测试用ZIVESP1电化学工作站对A款和B款全电池进行交流阻抗测试，测试振幅为5 mV, 测试频率为0.001 Hz～100 kHz.1.4 电芯过充循环后不同SOC的内阻测试对A款和B款电芯分别挑选两个一致性较好的电芯，其中一个标记为正常电芯，记为NB，另外一个充电上限电压设置为3.9 V，反复过充10 次，标记为OB.对两款电芯在室温工况下进行30次正常充放电循环，循环的具体流程为：先搁置5 min，等电池的电化学稳定；开始以恒流1 C充电，当电压达到截止电压3.6 V时，恒流充电结束；然后以3.6 V进行恒压充电，当电流达到截止电流时，充电完成，搁置20 min，然后以10 C的电流进行放电，直到达到截止电压2.0 V，放电完成，即一次充放电循环完成；最后进行搁置20 min. 进行下一次充放电循环. 循环结束后，首先将A款和B款动力电芯在室温（25 ℃）工况下以1 C恒流充电至截止电压3.6 V时，恒流充电结束；然后以3.6 V进行恒压充电，当电流达到截止电流238 mA时，电芯充电结束，搁置20 min，以1 C恒流放电，放电容量为额定容量的5%，放电结束后，对电芯内阻进行测试. 之后以放电容量为额定容量的5%作为间隔点，对其他SOC荷电下的内阻进行测试，直至电芯放电完毕，测量SOC 从0%～100%的电芯直流内阻.2 结果与讨论2.1 温度性能对比分析两款电芯分别在室温（25 ℃）、高温（55 ℃）和低温（–20 ℃）环境下分别以0.5 C、1.0 C、3.0 C、5.0 C和10.0 C放电，倍率逐渐地从低到高，温度性能测试结果分别如图3 ～ 5所示.图3 室温工况（25 ℃）下电芯温度性能对比Fig.3 Temperature comparison under room temperature condition(25 ℃)图3表明在室温（25 ℃）测试环境下，A款和B款电芯的温升速率都随着放电倍率的增大而增大.在0.5 C、1 C、3 C、5 C、10 C这5个不同测试倍率下，A款对应的最高温度分别是25.7 ℃、26.3 ℃、30.3 ℃、35.4 ℃、43.5 ℃，而B款对应的最高温度分别比A款电芯高出了0.39%，3.04%，5.28%，0.28%，13.1%，10 C放电时，最高温度达到了49.2 ℃，且B款的升温速率始终高于A款电芯. 图4 高温工况（55 ℃）下电芯的温度曲线Fig.4 Temperature curves change under higher temperature condition(55 ℃)图4表明在高温（55 ℃）测试环境下，A款和B款电芯的温升速率都随着放电倍率的增大而增大.随着放电电流的增加，A款对应的最高温度分别是54.9 ℃、55.4 ℃、57.4 ℃、59.5 ℃、65.5 ℃，而B款对应的最高温度分别是54.9 ℃、55.3 ℃、57.8 ℃、61.1 ℃、69.8 ℃. 高温环境下，电池的电化学反应比常温激烈，导致放电电流较小时，两款电芯的温升速率和最高温度基本接近，放电倍率达到10 C时，B款电芯的最高温度比A款高出6.56%，达到接近70 ℃，相对于室温，最大温度增加了41.9%. 对比图3可以看到，在高温情况下，随着放电倍率的增大，A款电芯和B款电芯的温升速率以及最高温度对应的差值都比在室温环境下的大，充分说明高温环境温度对电芯热性能的加速恶劣影响.图5 低温工况（–20 ℃）下两种电芯温升曲线Fig.5 Temperature rise curves under ultra-low temperature condition(–20 ℃)由图5可以得到，在低温（–20 ℃）测试环境下，A款电芯和B款电芯的测试放电时间都小于理论放电时间，并且B款电芯的放电时间远小于A款电芯，在0.5 C、1 C、3 C放电倍率下对应的理论放电时间为7 200 s、3 600 s、1 200 s，而A款电芯在低温环境下实际放电时间为4 234 s、1 713 s、342 s，B款对应的放电时间为571 s、227 s、33 s，放电时间的减少表明放电容量的衰减，因此进口电芯的低温性能优于国产电芯. 由于在低温环境下电解液变得黏稠，内阻增加，电化学性能急速下降，所以在低温工况下，实验只在在0.5 C、1 C、3 C这3个不同倍率下测试，高倍率的放电实验已无法正常开展. 随着放电电流的增加，A款对应的最高温度分别是–15.6 ℃、–13.1 ℃、–5.1 ℃，而B款对应的最高温度分别是–16.9 ℃、–16.3 ℃、–17.1 ℃，低温工况下A款的最高温度始终高于B款，表明低温工况下A款的热性能优于B款，且放电时间长有助于电动汽车整车续驶里程的增加.2.2 放电容量对比低温环境下，电解液变得黏稠，电芯内阻增大[18-19]，不同环境温度对电芯的放电时间和放电容量具有直接的影响，进而影响电动汽车的续驶里程和电池组的循环寿命. 因此对电芯1 C和3 C放电电流下的放电容量进行分析，测试结果具体见图6和图7.图6 两款电芯不同环境工况下放电容量对比Fig.6 Discharged capacity comparison analysis根据图6，在室温（25 ℃）和高温（55 ℃）测试环境和1 C、3 C放电倍率下，A款和B款电芯的放电容量基本接近. 在低温（–20 ℃）环境下，A款电芯和B款电芯的放电容量相差较大，1 C倍率放电情况下，A款电芯的放电容量衰减到46.59%，B款电芯衰减到6.16%；在3 C倍率放电情况下，A款电芯的放电容量衰减到28.25%，B款电芯放电容量衰减到2.65%.随着倍率的增加，电芯的容量衰减速率上升，且放出的电量呈现急剧下降的趋势，低温工况直接影响电芯的放电时间和放电容量，容量衰减过快也影响电动汽车整车的续驶里程.2.3 低温工况下放电电压平台分析图6表明低温工况导致A款和B款两款电芯的放电容量有严重的衰减，尤其是B 款电芯3 C放电时，只能放出2.65% 的电量，几乎已经放不出电量. 低温对两款电芯的放电平台影响见图7.图7显示在低温环境下，随着放电倍率的增加，电池放电平台逐渐降低. 且大电流放电时，放电电压平台呈现直线式下降. 当放电电流为5.0 C时，放电时间仅为3 s，放电初始电压只有2.123 6 V，放电电压平台几乎已经损失，放电初始电压低于标称的3.2 V. 同时，不同倍率下A款电芯放电平台始终比B款的要大，所以A 款电芯在低温下放电容量衰减率才比B款电芯低，保证相同倍率下更多的电量释放.图7 不同倍率放电工况放电电压平台对比（–20 ℃）Fig.7 Discharge platform comparison under ultra-low temperature condition2.4 交流阻抗的对比18650电池的EIS图谱可以按照组合阻抗、界面阻抗、反应阻抗进行解释[20]. 阻抗图谱与横轴的截距为组合电阻，主要体现两电极和电解液/隔膜的电子导电率和离子导电率，高频半圆分别代表的是电化学反应阻抗和双电层电容，界面阻抗包括两个方面：固体电解质膜的阻抗和电容，这一部分则是由中频区的半圆来表示，Warburg阻抗体现为低频区的斜线，与锂离子在电解液之间的扩散以及在活性材料表面相关. 由于高频区和中频区的两个半圆覆盖度高，不易区分，通常把两部分作为整体进行研究[21-22].对A款和B款全电池进行室温工况下的交流阻抗测试，结果如图8所示，并对测试数据进行分析.图8 两款全电芯的交流阻抗对比Fig.8 Comparison analysis of electrochemical impedance spectroscopy所有交流阻抗图谱均由高频区的圆弧和低频区的斜线组成，分别表示电荷转移过程和扩散过程的阻抗信息，而由交流阻抗图谱可以看出，A款电芯的圆弧半径大于B 款电芯的圆弧半径，表明A款电芯的交流阻抗偏大.2.5 过充循环后内阻的对比过充循环后不同荷电状态下（State of Charge,SOC）的测试结果反映电芯在过充后离子/电子的迁移能力和电解质的扩散/传递能力，具体测试结果见图9.图9 不同SOC下电芯的直流内阻对比Fig.9 Internal resistance change trend with different SOC图9表明两款电芯均随着SOC的增加内阻逐渐下降，且A款电芯的内阻始终高于B款电芯. 对于A款和B款电芯，随着SOC的增加，正常电芯的内阻变化趋势相近，而过充时电芯的A款电芯内阻最高达到25.21 mΩ，B款电芯达到12.94 mΩ. 过充后两款电芯的内阻均有增加，表明过充额外导致的能量摄入提升了电子/离子迁移率，也导致产热量的增加.3 结论本文通过对A款、B款电芯进行室温（25 ℃）、低温（–20 ℃）、高温（55 ℃）工况下不同放电倍率的温度性能测试，同时对电芯的电化学性能进行了对比分析，包括放电电压平台和放电容量、交流阻抗和直流内阻, 以上测试数据将对电池组产热量及模拟分析提供一定的参考依据，并为后续的电池组热管理系统设计提供理论基础. 基于以上实验测试，得出如下结论：(1) 电芯工作环境温度直接影响其温度性能，无论什么工况，电芯的温度随着放电倍率的上升呈上升的趋势，而且倍率越高，温升曲线斜率越大，表明单位时间内产生的热量越高；低倍率放电时，A款和B款电芯温度性能接近，当55 ℃环境10 C放电时，B款电芯达到70 ℃，而A款电芯接近66 ℃.(2) 低温工况严重影响电芯的电化学性能. 大电流放电时，A款电芯放出电量28.25%，B款电芯仅能放出2.65%的电量；5 C放电时，B款电芯几乎已经失去了正常的放电电压平台.(3) A款电芯的直流内阻和交流阻抗均高于B款电芯. 过充导致电芯的内阻最高增加24.19%，且电芯的直流内阻随着荷电状态的增加逐渐减少.参考文献：[1] WU W W, WU W, WANG S F. 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⑧天摩大薯中国近代第一所大学硕士学位论文■■■■■＾■●０＿｜１１■：－爿ｊ０一■：■■■¨０■■＿学科专业：应用化学作者姓名：管借安指导教师：唐致远教授充放电寿命（次）１＞２６０＞／２００＞ｔ３００１．２锂离子电池的概述１．２．１锂离子电池的结构与工作原理１９８０年加ｍ孤ｄｓ【４增先提出用嵌锂化合物代替二次锂电池内部金属锂负极的设想，并称之为摇椅式电池（ＲｏｃｋｉｎｇＣｈａｉｒ）。

嵌锂化合物代替二次锂电池中的金属锂负极既保持了锂电池工作电压高的优点，又很大程度上解决了锂电池的安全问题。

同时还大大提高了电池的充放电效率和循环寿命。

二次铿离子电池使用两种不同的能够可逆嵌入／脱出锂离子化合物作为正负极活性物质。

其基本原理可以描述如下嘲：（－）ｃｎｌＬｉＰＦ６－ＥＣ＋ＤＭＣＩＬｉＭ０２（＋）正极反应ＬｉＭ０２锚Ｌｉｊ。

Ｍ０２＋ｘｅ＋ｘＬｉ＋负极反应ｘＬｉ＋＋ｘｅ＋ｎＣ∞Ｌ奴Ｇ电池反应ＬｉＭ０２＋ｎＣ臼Ｌｉ。

Ｍ０２＋Ｌｉ。

Ｃｎ式中Ｍ表示ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ等过渡金属元素。

充电时锂离子从正极材料晶格脱出，经过电解质嵌入负极晶格中；放电时刚好相反，锂离子从负极材料晶格中脱出，经过电解质回到正极材料晶格中。

正负极材料之间嵌入／脱出锂离子的化学位差值，形成了电池的工作电压。

图１．１为锂离子电池原理示意图。

锂离子电池的结构主要分卷绕式和层叠式两大类。

液锂离子电池采用卷绕结构，卷绕式将正极膜片、隔膜、负极膜片依次放好，卷绕成圆柱形或扁柱形，主要以ＳＡＮＹＯ、ＴＯＳＨＩＢＡ、ＳＯＮＹ为代表。

层叠式则将正极、隔膜、负极、隔膜、正极这样的方式多层堆叠。

将所有正极焊接在一起引出，负极也焊成一起引出，主要以ＳＯＮＹ为代表．图１．２为锂离子电池结构示意图。

图１－１锂离子电池原理示意图Ｆｉｇｌ·ｌＴｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｉｎｌｌｕｓｔｒａｉｏｎｏｆＬｉ－ｉｏｎｂａＲｅｒｙ图ｌ－２锂离子电池结构示意图Ｆｉｇｌ－２ＴｈｅＳｌｒｃｕｇｕｒｃｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎｏｆＬｉ－ｉｏｎｂａｔｔｅｒｙ１．２．２锂离子电池的正极材料研究要提高锂离子电池的性能，材料是基础。

锂离子电池充放电过程中的热特性研究摘要：随着社会经济的发展，我国的科学技术水平有了很大提升，电池市场的发展前景越来越好。

为了满足人们的日常生活需求，相关制造行业开始不断对电池的制造进行改革和创新，在此背景下，锂离子电池应运而生。

为了在某一恒定温度下准确研究电池充放电过程中的吸放热特性,本文以18650LiCoO２电池为实验对象,首先阐述了锂离子电池的特点，然后对锂离子电池充电过程热特性进行了研究，最后阐述了锂离子电池的发展前景。

关键词：锂离子电池;等温量热仪;热特性;放热速率;放热量;锂电池热安全引言锂离子电池具有高电压、高能量、循环寿命长和无记忆效应等众多优点，在纯电动汽车、混合动力汽车、电动自行车、轨道交通、航天航空、船舶舰艇等交通领域获得广泛应用。

越来越多的研究应用显示，电池温度是影响锂离子电池性能和循环寿命的重要因素。

电池在放电过程中，化学能转化为电能和热能，由于电化学反应和电池内阻的存在，会产生反应热(可逆热)、极化热和欧姆热(不可逆热)，若不能及时散失，热量积累到一定程度，将有热失控的危险。

研究锂离子电池的热特性以及能量损失对于评估和保障电池的可靠性和安全性是非常重要的。

1锂离子电池的特点1)充放电时电压高。

一般情况下，电压平台中的电压范围在3.0～4.2V之间，是普通电池放电时电压的3倍。

2)使用寿命较长。

锂离子电池是二次充电电池，当电池中的电量用完时，可以通过充电方式将电池的电量充满，并且可以循环使用，在这种情况下，提高了锂离子电池的使用寿命。

3)比能量较大。

一般情况下，锂离子电池的体积和质量比能量分别在310W•h/L和110～200W•h/k g以上，为目前蓄电池中最高。

4)充放电的效率比较高。

锂离子电池在充放电过程中的能量转换效率相比其他普通电池要高很多，因此锂离子电池的充电时长短且使用时间长。

5)安全性能较强。

锂离子电池是一种新型能源，在使用过程中可以实现循环使用，属于无公害和无记忆的电池，在很大程度上能够满足更多的使用需求，提高电池使用的安全性。

锂离子电池热物性与热特性实验研究锂离子电池作为当前广泛应用的电池类型之一，其热学性能对于电池的安全性和使用寿命均有重要影响。

本文通过实验研究锂离子电池的热物性和热特性，旨在深入探究锂离子电池的热学特性，为锂离子电池的设计、生产和应用提供参考。

本实验使用硬币电池作为研究对象，利用热电偶、实验室温度计等设备对电池的温度、热容、热导率等参数进行测量。

实验结果表明，锂离子电池的温度和热容随着电池放电量的增加而增加，热导率则呈现先增加后减小的趋势。

并且，在电池过热时会产生热失控现象，对电池的稳定性和安全性造成威胁。

针对实验结果，本文进一步分析了锂离子电池的热学机制和影响因素。

其中，电池内部化学反应、电流密度、环境温度等因素都会对电池的热学性能产生影响。

通过对这些因素的深入分析，可以指导电池的优化设计和合理使用。

同时，本文还对当前锂离子电池的热学性能问题进行了探讨。

当前锂离子电池的热学性能受到电池的结构、材料、制造和循环使用等多方面因素的制约，因此需要在今后的研发中加强对这些问题的解决。

综上，本文通过实验研究和理论探讨，全面分析了锂离子电池的热学性能及其影响因素。

这将为锂离子电池的设计、生产和应用提供重要的科学依据，促进锂离子电池技术的进一步发展和应用。

关键词：锂离子电池；热物性；热特性；电池温度；电池安全性。

4. 探讨锂离子电池的热学性能问题锂离子电池是一种高能量密度电池，已经广泛应用于移动电子设备、电动汽车、能源存储等领域。

然而，锂离子电池的热学性能问题一直是制约其应用的重要难题之一。

本文从结构、材料、制造和循环使用等角度探讨了锂离子电池的热学性能问题。

4.1 结构问题锂离子电池的结构对其热学性能有重要影响。

一般来说，锂离子电池的结构包括正极、负极、隔膜和电解质等部分。

其中，正极和负极是电池的主要储能部分，隔膜和电解质则起到隔离和传递离子的作用。

由于锂离子电池的正极和负极都采用了含有锂离子的化合物，因此在充放电过程中会产生热量。

电动汽车锂离子电池包热特性研究与优化设计摘要：随着环保意识的提高和汽车工业的快速发展，电动汽车已经成为了未来可持续交通的重要组成部分。

而电动汽车的核心，锂离子电池包，正面临着提高性能、延长寿命以及增强安全性等方面的挑战。

为了实现这些目标，研究人员和工程师们致力于深入了解电池包的热特性，并通过优化设计来不断提升其综合性能。

本文旨在探讨电动汽车锂离子电池包的热特性研究与优化设计，为绿色出行提供更可靠的动力源。

关键词：电动汽车；锂离子电池包；热特性；优化设计引言：文章深入探讨了电动汽车锂离子电池包的热特性研究与优化设计。

通过分析温度分布、热传导和热损耗等关键参数，我们揭示了电池包的热特性对性能和寿命的影响。

在优化设计方面，电池材料、结构设计、电池管理系统和热管理策略等多个方面的综合考虑是关键。

电池材料的选择、结构设计的合理性、电池管理系统的升级和热管理策略的优化，都将为电动汽车行业提供更高效、更安全和更可持续的能源解决方案。

这项研究将推动电动汽车技术的进一步发展，助力绿色出行的实现。

一、电动汽车锂离子电池包热特性分析电动汽车的兴起使得锂离子电池包成为电动动力的核心组件之一，其性能和安全性直接关系到电动汽车的使用寿命和驾驶安全。

热管理在锂离子电池包性能优化中起着至关重要的作用，因为过高或过低的温度都会对电池性能产生不利影响。

1.温度分布分析在电动汽车锂离子电池包中，温度分布是一个至关重要的参数，直接影响了电池的性能和寿命。

研究电池包内部温度分布的过程通常涉及到传感器的使用，以测量不同位置的温度。

通过在不同工况下进行测试，我们可以获得电池包在充电、放电和急加速等情况下的温度分布数据。

实验结果显示，电池包内部的温度分布通常不均匀。

在充电和放电过程中，电池包的中心部分通常会比边缘部分温度更高。

这种不均匀的温度分布可能会导致电池包中一些单体的过热，从而降低了电池的寿命和性能。

因此，需要采取措施来改善温度分布，例如通过增加散热器的数量或优化电池包的结构。

新能源安全与防护18650型锂离子电池一维热失控传播试验研宄郭王勇、李丽娜\王敬伟、王卓s孙绪坤：(1.南瑞集团有限公司（国网电力科学研究院有限公司），江苏南京210003;2.中国矿业大学（北京）应急管理与安全工程学院，北京100083)摘要：对18650型锂离子电池在线性水平排列方式下，单 体电池和电池组热失控的热量传递、温度变化、烟气变化等进行了研究将单体锂离子电池热失控过程划分为初始阶段、燃爆阶段和后期燃烧阶段_研究了热失控传播过程，定量分析导热系数々的变化，指出电池距离外部热源越近，越早发生热失控；距离热源较远的电池由于导热系数6减小，发生热失控的时间变长，燃爆最 高温度降低；当距离超长时，热失控传播被阻断.锂离子电池热失控烟气成分主要包含SO z、N a、C O、H C l和N H:,等气体，其中，N O:.和S02占比较高，分别达到了 47%和27%。

关键词：消防;锂离子电池；热失控；导热系数；烟气成分中图分类号：X932;T M911 文献标志码：A文章编号：1009-0029(2021)03-0438-05锂离子电池也称锂电池，锂电池的热失控通常是由于 锂电池受到外界高温、过充放、挤压、冲撞或滥用等原因所 致，引发一系列的放热反应，发生气体射流甚至燃烧或爆炸现象。

部分学者研究了锂电池的热传播现象。

黄沛丰 等研究了电池组平行排列和菱形排列方式下热失控传播的临界条件，通过Frank-Kamenetskii与Semenov模型，根据电池全反应化学动力学参数计算电池热失控临界条件。

邓志彬等分别针对敞开和金属半封闭包装两种体系下的锂电池组热失控传播进行研究，发现在金属包装半封 闭体系下热失控更为剧烈。

罗星娜等使用Fluent软件模 拟热失控传播过程，表明采用阻燃隔板可有效延缓热失控 传播。

赵剑波针对荷电状态（SOC.)为0、50%和100%的18650-26J M型三元锂电池进行热失控传播试验，研宄电 池间不同距离对质量损失、C O和SCV浓度、热释放速率 (HRR)和燃烧热等参数的影响。

18650动力锂电池组热管理系统性能优化研究作者：徐隐凤，廖智伟来源：《时代汽车》 2018年第11期摘要：本文建立了电动汽车锂离子电池的三维热仿真模型，为使该空冷却散热系统散热性能达到最优化，通过计算流体动力学与正交试验相结合的优化方法，对空气初始温度；对流换热系数；空气流速三个因素进行优选，揭示了三个因素对峰值温度的影响。

最后得到了锂离子电池组在3C倍率放电时其最优方案组合为：312K的空气初始温度；3W/(m2/K)的对流换热系数；3In/s的空气流速。

关键词：正交试验；空气冷却；峰值温度1单体锂电池热效应模型1.1锂电池生热速率锂电池在充放电过程中，电池生热的同时有各种化学反应发生，主要的放热反应有电解液分解、负极的热分解及其与电解液的反应、正极的热分解及其与电解液的反应以及SEI膜分解反应等化学反应及其副反应。

此外，电池中有电流通过时，内阻会产生一部分焦耳热。

根据Bernardi等[13]提出的电池生热速率模型，认为热量来源主要包含焦耳热和反应热，如公式1所示，式中括号内第一项代表焦耳热，为不可逆过程生热，第二项为反应热，为可逆过程生热，根据充放电取不同符号。

式中Qt为单体电池的总生热速率，I为流经单体电池的电流；Er为电池的开路电压；U为电池的工作电压；T为电池的开氏温度；Vb为单体电池体积；Rr为锂电池内阻。

1.2锂电池传热控制方程单体18650锂离子电池的生热过程是一个典型的非稳态热传导过程，为了方便模型的建立，针对圆柱锂电池做以下假设：(1)电池内部电解液几乎不流动，忽略电解液的对流换热作用；(2)忽略电池内部辐射对温度的影响；(3)单体电池的热物性参数（不包括欧姆内阻）在实验中为定值(4)电池内部各种材料各向同性，物理性质均一；(5)电池内部发热均匀。

基于以上的条件假设，由直角坐标系下导热微分方程的一般形式得到模型的控制方程：下式3.1所示：式中q为电池的生热速率，单位：w;p为电池的平均密度，单位：kg/m3；Cp为电池比热容，单位：J/K；入为电池内部导热系数，单位：w／(m．K)。

如何降低圆柱形18650动力电池在充放电过程中的产热量1.研究思路分析1.1 影响电池产热可能因素分析圆柱形18650动力电池在充放电过程中产热量主要由四个部分组成：（1）电池反应热Q r=nmQI/MF；（2）电池副反应热；（3）电池极化热Q p=I2R p；（4）电池焦耳热Q J=I2R内。

其中，n:摩尔数，m:电极质量，Q：电池反应产热，M：摩尔质量，F：法拉第常数，I：充放电电流，R p：极化电阻，R内：电池内阻。

电池反应热和电池材料放热特性、充放电电流、温度以及电极活性物质量等参数密切相关。

电池电极活性物质量越多、充放电电流越大、温度越高，电池反应热越高。

电池副反应热主要由电池充放电过程中副反应形成。

电池制作过程中有可能引入杂质，杂质在电池后续充放电过程中可能会造成电池副反应；但通过严格控制电池制作环境和电池制作工序，杂质引起的反应一般可忽略。

电池充放电过程中一个不可忽略的副反应是电池充放电过程中负极SEI膜的破裂与再生成：充放电过程中负极会缓慢膨胀，从而导致负极表面的SEI膜破裂，破裂后SEI膜的再形成过程会产热，并生成气体。

电池极化热与充放电电流和极化电阻的数值密切相关。

充放电电流越高，极化电阻越大，电池的产热量也越大。

降低电池产热的一个可能方法是提高电池的极化性能。

电池焦耳热取决于充放电电流和电池内阻。

电池内阻又由电解质电阻、电极电子电阻、接触电阻等几部分组成。

降低电池产热可通过减小电解质电阻、电极电子电阻和接触电阻实现。

此外，18650电池内部产热量分布不均匀也是需重点关注的问题。

电池内部产热不均匀主要与电流密度分布、极化电势分布、温度分布和电池内部散热等因素相关，可通过优化制作工艺和电池结构进行缓解。

综上，充放电过程中18650动力电池产热及所产生不良影响主要可能取决以下因素：电池材料放热特性、电极活性物质量、充放电电流、充放电温度、电池内部杂质量、电池负极膨胀导致的SEI膜的破裂与再生成、电池极化性能、电解质离子电阻、电极电子电阻、电池接触电阻、电池内电流密度分布、电势分布、温度分布和电池内部散热等等。