锂电池的热性能及应用

前言

在高油价和碳氢化合物燃料持续短缺的时代，消费者开始寻找不需要过量汽油为其提供动力的替代运输和能量收集方法已不足为奇。随着全球对二氧化碳排放量上升和气候变化的担忧持续加剧，对替代燃料来源的日益偏好变得更加夸张。这种对具有环保意识的选择的偏好正在引起消费者心态的转变，可以从过去十年混合动力和电动汽车市场的大幅增长中得到突显。电动汽车为传统的汽油动力汽车提供了一种节能且环保的替代品，因为电动汽车依靠大型可充电电池为其提供能量，而不是汽油或柴油。几种不同的电池化学成分可用于产生为电动汽车提供动力所需的能量；然而，锂电池是迄今为止最受欢迎的，因为它们具有高荷重比，可以提供最大的能量，同时占用最少的空间。

锂电池简介

尽管可充式电池在近几十年才开始流行，但这些发电移动电源背早在1800 年代后期就已经出现，当时第一个可充电电池是使用铅和其他酸性元素的独特混合物制成的。这种相对简易的铅板和主要硫板设计在 1980 年代首次亮相后很快被锂电池取代，因为它们比铅酸电池更轻，并且能够在更长的时间内保持蓄电量。锂电池轻便简单的设计主要是应用于笔记型电脑或手机等小型手持电子设备供电。

直到最近，锂电池的市场越来越大，消费者对此产品产生浓厚的兴趣并有更多需求，主要原因是这种电池的化学成分，可用于其他应用上包括电动和混合动力汽车。

锂是地球上最轻、密度最小的固体元素之一，20世纪末成为电池负极主要制作的原料，电池不仅仅由锂组成，许多电池还含有其他几种金属，包括钴、锰、镍和磷。由于这些材料在电池制造中被广泛使用，这类的金属目前都面临着开发短缺的风险。用于生产电池的大部分锂来自两个主要的来源：在伟晶岩中发现的称为锂辉石的硬质二氧化矽矿物或来自含有氯化锂的盐水湖沉积物。盐水矿中的锂大部分来自智利，由于必须采用多种程序提取，从锂辉石中开采碳酸锂的能源强度和成本极高。

锂电池的设计

尽管电池的内部机制看起来相当复杂，但这些离子发电站遵循相对简单的电化学设计，其中锂原子在电池单元内的阳极位置被电离并与其电极分离。锂离子然后沿着直线轨迹穿过电解质，直到它们到达阴极，与它们的电子重新结合并被电中和。大多数锂电池将使用醚化合物作为电极，一种特定类别的有机碳分子。一些电极组合甚至包括锰氧化物混合物或磷酸盐混合物，后者是混合动力和电动汽车电池中极为流行的组合。

锂电池的好处

由于锂是元素周期表中第三小的元素，相对于其较小的质量和体积，它具有较高的电压和储能能力。它还具有目前市场上任何电池的最高能量密度之一，为 100-265 Wh/kg。与其主要市场竞争对手铅酸电池相比，锂电池的充电效率也为 100%，后者的充电效率仅为 85%。这种蓄电效率对于在日光较少的地区来说非常重要，能尽可能的捕捉太阳能。与铅酸相比，使用锂离子电池的另一个好处是它们能够在极冷或极热的温度下保持充电和发电能力。这种在不利条件下的耐用性和持久性使它们成为比铅酸或其他电池混合物更可靠的选择。锂电池也相对免维护，几乎没有放置问题，这意味着它们不需要存放在直立或通风良好的隔间中。这也使它们可以轻松组装成各式形状，使它们成为能在小隔间或区域的理想选择。

锂电池的衰落

尽管与竞争对手相比，锂电池的优势似乎占有很大的市场，但它们易自燃的高可能性一直引起人们的极大关注。这个相当危险的问题源于（热卸载） 扩散不良导致电池在高压下过热的趋势增加有关，这导致了一些灾难性的后果，包括整个波音 787 飞机机队被迫停飞，这些飞机经历了许多次的机载电池起火。这些由内部过热引起的问题目前已经藉由在锂电池中加强通风来解决，用以确保他们能够尽可能有效的释放内部热量，虽然锂电池的生产成本比镍镉电池 (Ni-Cd) 高出 40%，但它们不含有毒元素镉，这使得它们更容易正确处理和回收。锂电池的回收能力是其能够取代镍镉电池成为智能手机和笔记本电脑等携带式电子设备市场领导者的主要原因之一。

锂电池使用过程中还是有发生自燃隐忧。使得大量研究致力于了解这些元素材料所具有的全套热特性。当电池在充电或释放能量时，它自然会产生大量热量，需要有效地消散这些热量以防止内部电池温度升高。如果充放电速率或电极厚度显著增加，电池的温度也会随之升高。电池单元内的极端温度变化会损坏构成电池的材料的内部性能并降低电池的使用寿命。这将导致其他不良后果，例如膨胀、漏电、火灾或爆炸。在电动汽车中使用锂电池时，热膨胀或热失控会对乘客的安全构成重大风险，这也是为什么在电子设备或移动车辆中组装之前正确分析电池的热组件是一件很重要的事情。

电池内部的热量产生和传递

电池内产生的热量主要由可逆或不可逆的热量组成，通常由电池充电和放电过程中的熵系数决定。如果散热受阻，多余的热量会在电池单元内积聚，导致内部温度升高。充电和放电过程中发生的过电位充电会产生不可逆的热量。电池内部产生的大部分热量都位于其核心附近，特别是负极，电极的厚度与放电速率以及整个电池单元将经历的最低和最高温度直接相关。由于电极厚度和热敏感性之间的这种直接关系，制造商只有在需要增加电池容量时才会增加电极厚度。增加整体电池容量也可能导致电池单元的电阻率和电荷转移能力增加。标准尺寸的锂电池的平均热扩散率为 1.5 x 10正极为-15 m 2 /S，正极导热率为5 W/(m/K)，隔膜为0.334 W/(m/K)，负极为1.04 W/(m/K)电极。

电池冷却技术

热导率值表示材料通过它传递热量的能力。与天然具有绝缘能力的木材或织物制成的材料相比，金属和几种矿物等材料具有极高的导热率值。电池内产生的大部分热量通过空气冷却、液体冷却或 PCM 冷却等各种冷却方法带走。空气冷却是目前使用最多的电池冷却方式，利用力和加速电池周围的气流，从而提高电池与外界环境之间的热交换率。由于其简单、方便和低安装成本，这种方法仍然是使用最广泛的方法。

结论

随着未来全球对电动汽车的需求持续增长，科学家们将需要不断研究和设计更有效的电池冷却方法，以保护车辆乘客免受与锂电池起火相关的任何负面影响. 能够分析及量化锂电池的热特性是实现这一目标的一种方式，找出科学家和工程师都认可在电动汽车和锂电池应用构建上最佳和最有效的散热装置，还需要更好地了解锂离子回收方法，以确保一旦这些电池失去功能，一旦放入垃圾掩埋场或处置不当，它们最终不会造成弊大于利。尽管仍需要大量研究来充分了解和正确利用锂电池中存储的能量，但迄今为止它们所使用的应用表明，这些电池具有降低全球碳足迹和减少全球碳足迹的潜力。为目前正在使用的多种气候变化技术创造使环境和能源更友善的解决方案。