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锂离子电池的国内外研究现状

作者:优质期刊论文发表网  来源:www.yzqkw.com  发布时间:2019/8/30 10:20:02  

摘要:本文将对锂离子电池的国内外研究现状进行综述,以期对锂离子电池的分析与研究提供一定的理论基础

关键词:锂离子电池 研究现状

锂电池一般可分为两类:锂金属电池和锂离子电池。锂金属电池诞生比较晚,虽然它在效率和容量上优于锂离子电池。由于其自身的高成本、制造技术复杂的限制,目前应用最广泛的还属锂离子电池。锂离子电池是一种具有高能量密度、优良的循环新能、微弱的自放电、无记忆效应等突出优点的于20世纪90年代初在锂二次电池的研究基础上所发展出来的一种高效环保的充电电池。锂离子电池被普遍认为是21世纪在生产和生活中具有举足轻重地位的高新技术产物。通过众多学者的不懈努力,金属锂电池开始建立起了雏形。

锂原电池经过了长达20年的发展,才基本实现了普遍应用,可充电的锂离子电池商品化是在90年代随着正负极材料和电解液的发展而得以实现。伴随着经济全球化的进程,人们对新能源的开发和优化等相关领域的关注度越来越高,锂离子电池(LIB)因为其存储能量高、循环寿命长、利用率高等优势,迅速发展成为新一代电池体系[50-52]。目前我国百分之九十以上锂离子电池为液态锂离子电池。根据生活需要,锂离子电池开始向动力电池发展,广泛应用于电动交通运输工具中[53]。高性能的电池在电动汽车领域的需求越来越大,不同种类电动车电池的特性不同,如表所示[54-58],其中周期是容量高达80%的工作周期。

表1-1 不同种类电池性能对比

锂离子动力电池又是继镍氢动力电池后新一代可充电电池,并且逐渐代替镍氢电池。锂离子电池作为新一代储能电池,由于它在高温的工作状态下,电池容量大幅度衰减,容易出现电池自燃现象,危害人们安全。因此,热失控是锂离子电池安全性改善主要研究对象[59]。相关实验研究表明,电极材料不同,锂离子电池的性能也不同,如表1-2所示。

表1-2 不同类型锂离子电池性能对比

美国实验室采用实验和模拟结合的方法研究动力电池组热管理的工作过程。通过试验测量不同位置的温度的电池组,并且在计算机上搭建电池的热生成模型模拟电池的热电耦合过程,为设计和优化电池组热管理系统奠定了基础。保持锂离子电池的温度均匀性是至关重要的,以防止电池内的不利电压分布和差异老化,在热失控的测量技术上,Grandjean T[60]等学者对容量为20A·h的LiFePO4锂离子电池的热特性进行仿真模拟研究,研究表明在大倍率放电状态下,电池内部温度与表面温度之间温差最大可达20oC,只是测量电池表面温度,不能具体反映出锂离子电池的真实状态。Parhizi M[61]学者根据锂离子电池的热特性以及热失控过程中动力学特征,建立了基于热传导分析的电池内部温度追踪模型,通过实验,验证了Grandjean T的理论,锂离子电池的真实状态不能只考虑其表面温度。

在热管理的分析上,日本研究学者Y. Inui和Y. Kobayashi[63]等人设置实验,模拟了电池放电过程中的温度场变化。结果表明:锂离子电池在25 ~ 50度范围内具有优异的性能,若环境温度高于65度或低于0摄氏度,将对锂离子电池的性能产生严重影响。M.S.WU[64]等人通过实验得知,当电池以3C的倍率放电时,锂离子电池的容量会明显下降。Bandhauer[65]等人详细总结了温度对锂离子电池容量/功率衰减、不平衡和热失控的影响;Shabani和Biju[66]通过理论建模方法,对不同电池的热行为和热管理系统进行建模;Saw[67]等人从集成的角度研究了锂离子电池电池化学、电池封装、电气连接、热管理等集成问题;Jaguemont J [68]等人研究了锂离子电池在低温下的容量/功率衰减和低温老化机理;电池热管理系统在电池的高效率,可靠性和安全性方面起着至关重要的作用[69]。因此,热管理系统可以控制锂离子电池的温度,促进锂离子电池的商业化。

我国在二十世纪八十年代才开始对锂离子电池热管理效应进行研究,相对于国外比较落后。姜水生、何志坚[70]等人针对锂离子电池组放电过程各组件温度不均衡现象,研究了其产热机理,建立电池电-热耦合模型。国家重点实验室的杜建华[71]等人对磷酸铁锂电池针刺热失控实验研究,实验表明在多数触发电池热失控的原因中,针刺是造成电池损坏的一种不可逆的破坏性行为,针刺受机械压力的影响也会造成电池的热失控,因此在设计电池结构时要充分考虑防针刺及对电池进行额外保护。朱聪、李星虎[72]等人设计了电池产热率模型,并对该模型不同放电率和SOC产热速率进行仿真。王峰、李茂德等人[73]根据产生机理,对不同类锂离子产热量进行了计算,同时模拟不充放电倍率下的池温度场分布,为研究电池温升效应和散热系统的结构设计提供了重要依据。

许多安全事故都是由于电池短路引起的,过大的电流会在电池内部产生大量的热量,过高的温度会引发电池内部严重的热失控,造成电池短路。因此,对电池内部热量产生过程的分析是锂电池安全性研究中十分重要的部分。锂离子电池热管理系统的目的是减小锂离子电池的最高温度,确保电池元器件之间温度均衡,因此锂离子电池需要良好的环境温度,为避免锂离子电池因温度过高出现过充和过放现象。提高电池利用率,提升锂离子电池的安全性能,就需要对锂离子电池的电场和热场进行热电耦合分析。

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