大容量磷酸铁锂动力电池作为电动汽车的理想储能装置,仍需解决高产热速率和放电不均匀等带来的安全问题。锂离子电池的电化学反应机理、产热机理以及电热耦合特性是动力电池热管理研究的根本切入点。
探究电池放电过程中的反应物生成物扩散动力学及其与温度场、电场之间的作用规律,对于提高电池的安全性能,实现内部温度场的均匀性具有重要意义。 本文通过对磷酸铁锂动力电池建立一个涉及质量守恒、电荷守恒和能量守恒,并伴有电化学反应过程的电化学-热耦合模型,研究电池恒流放电过程的温度场和生热速率,并通过实验验证了模型的合理性。结果表明,低倍率放电时,可逆生热速率在总生热速率中所占份额较大；而高倍率放电时,欧姆热生热速率占绝对优势。大电流放电时,产热速率高,有必要使用电池热管理系统。
锂离子动力电池放电过程中,电势分布和电化学反应速度分布对电池产热特性有很大影响。本文建立了38120型圆柱形磷酸铁锂电池二维轴截面模型,该模型采用了锂离子浓度和温度的相关性参数,考虑了正、负集流体的作用。搭建了锂离子电池放电测试平台,模型计算结果与实验数据的一致性较好。分析了集流体内电势分布对反应速度分布、产热速率分布和温度分布的影响,阐释了单体电池放电机理。
单体电池电芯内部包含了若干个电化学电芯单元。电芯单元的电化学特性和热行为对电池性能有很大影响。为了研究电芯单元和单体电池之间的作用关系,本文建立了由正、负集流体并联连接一维电芯单元的LP2770120型方形磷酸铁锂电池三维电芯模型,考虑了方形电池正、负极耳的作用。模型计算结果与实验数据的一致性较好。通过引入一维电芯单元相关参数,分析了三维方形电芯中一维电芯单元的工作机理。引入电池放电均匀性指数,分析了放电倍率和极耳位置对电池放电均匀性的影响。
锂电池的工作原理：
锂离子电池的正极材料通常有锂的活性化合物组成，负极则是特殊分子结构的碳。常见的正极材料主要成分为 LiCoO2 ，充电时，加在电池两极的电势迫使正极的化合物释出锂离子，嵌入负极分子排列呈片层结构的碳中。放电时，锂离子则从片层结构的碳中析出，重新和正极的化合物结合。锂离子的移动产生了电流。
锂电池(Lithium battery)是指电化学体系中含有锂(包括金属锂、锂合金和锂离子、锂聚合物)的电池。锂电池大致可分为两类：锂金属电池和锂离子电池。锂离子电池不含有金属态的锂，并且是可以充电的。可充电电池的第五代产品锂金属电池在1996年诞生，其安全性、比容量、自放电率和性能价格比均优于锂离子电池。由于其自身的高技术要求限制，现在只有少数的几个国家的公司在生产这种锂金属电池。
锂电池通常分两大类：
锂金属电池：锂金属电池一般是使用二氧化锰为正极材料、金属锂或其合金金属为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。
锂离子电池：锂离子电池一般是使用锂合金金属氧化物为正极材料、石墨为负极材料、使用非水电解质的电池。
为实现精确的电池热管理,选取正、负极材料分别为LiyMn_2O_4和LixC_6的层叠式锂离子电池为研究对象,建立了微观-宏观尺度耦合、电化学-热耦合模型,分析了不同放电倍率下单体电池的放电特性及电池包的平均温升、单体电池内部生热机理及变化特性,并详细定量分析了生热量各组成部分所占的比例及变化.
析结果表明：高放电倍率下,电池放电性能变差,温升显著提高,5C放电倍率下,温度升高63,℃.低放电倍率下,可逆热是主要的生热来源,高放电倍率下,液相中的欧姆热是主要的生热来源;相比之下,负极生热量最高,其主要来源于负极的可逆热,隔膜中所占百分比次之,正极最少,其主要来源于正极的不可逆热和欧姆热.
