车用三元圆柱锂离子电池电化学—热特性研究

动力电池能量密度的提升使得电动汽车获得了广泛的应用,但频繁发生的电池自燃事故限制了电动汽车的进一步发展,电池热管理系统作为电动汽车的关键技术能有效提高电池的安全性。因此,探究热管理系统中的电池电化学-热特性对电池安全性具有重要的意义。本文主要从以下几个方面研究了圆柱形锂离子电池电化学特性和热特性,包括:电池试验及分析、电池电化学-热耦合模型搭建及电化学-热特性仿真研究,并基于模型优化了电池内部结构尺寸,论文主要研究内容及结论如下:首先,对圆柱形三元锂离子电池实施电化学及热特性试验,包括:电极参考电位试验、电池过电压试验、混合脉冲功率特性试验(Hybrid Pulse Power Characteristic,HPPC)、不同工况下电池放电试验与温度监测、熵热系数试验。分析试验结果,结果表明:放电容量受制于倍率与环境温度,大倍率及低温都将导致放电容量下降,这是由于该工况下电池内阻和极化增大,故合适的工作条件对电池使用显得至关重要。通过进一步研究发现,倍率1 C常温25°C时电池放电容量较大且温度增量最小,因此该工况可作为电池长期稳定的工作条件。其次,通过试验数据及电池参数建立电池电化学-热耦合模型,利用试验数据验证不同工况下模型的精确度与可靠性,发现电池放电曲线最大相对误差为1.4%,温升曲线最大相对误差为4.26%,本文所建立的模型与其它文献相比精度及适用性较好,可用于后续电池特性研究。基于模型进一步探究电池电化学特性,研究结果表明:电极颗粒尺寸与倍率影响浓差极化,当正极材料颗粒尺寸增大时,电池浓差极化随之增大。为了减轻浓差极化及提高放电容量,对正极材料颗粒尺寸进行优化,发现半径约为3μm时能同时满足目标条件。进一步研究电池电化学特性及优化电池内部结构尺寸,发现随着正极材料厚度增加,电池放电容量逐渐升高,而改变负极、隔膜厚度时放电容量几乎不变。负极材料厚度影响放电电压,当厚度约为70μm时放电曲线具有较高的电压平台,因此该厚度值可作为负极材料涂覆的最佳选择,正极材料涂覆厚度取值一般小于负极材料厚度。最后,基于模型研究电池热特性。结果表明:电池总产热包括可逆热与不可逆热,其中可逆热中的一部分为吸热反应,吸热导致总产热曲线下降,使得电池温度曲线在放电中期下降。通过进一步分析可知,可逆热主要来源于负极,不可逆热主要来源于正极,而正负极与隔膜交界面处的产热最高,正负极集流体处产热最低。正负电极产热受电池内部参数影响,研究发现:当减小负极材料颗粒比表面积时将加速负极到达吸热峰值,当正极反应速率常数减小时将导致正极不可逆热增加,从而改变总产热。通过研究电池外部参数发现:当传热系数值h为15时可作为电池热管理设计中的参考值,此时电池放电容量较大、温度较低。