相变材料冷却技术在18650钛酸锂电池热管理中的应用研究

张燕

摘要：伴随着社会经济的快速发展，传统能源的严重消耗引起世界各国的重视。交通行业作为传统能源的消耗大户，在环保节能方面具有巨大潜力。因此，以动力电池作为动力源的电动汽车应用而生。然而，动力电池在使用过程中，容易出现温度过高或者过充等情况，这将造成电池性能严重衰退，甚至出现热失效的安全隐患。鉴于此，本文主要分析探讨了相变材料冷却技术在18650钛酸锂电池热管理中的应用情况，以供参阅。

关键词：相变材料冷却技术;18650钛酸锂电池;热管理

1电池热管理技术

随着电动汽车的发展，要求铿离子动力电池在极端环境或者大功率下运行，有时候甚至会出现滥用的情况，所以，铿离子动力电池容易出现热失效或者循环寿命严重下降等不利局面。在高温环境下大功率放电时，热量将会迅速的产生，造成电池温度快速上升，如果不能及时将热量散出，电池内部的热量将不断的堆积，直至电池出现热失效，甚至燃烧、爆炸等热安全性问题。电池在低温环境运行时，由于电池内部化学反应活性受到严重制约，电化学性能下降，电池的冷启动效率低，严重的制约了电动汽车在严寒地区的推广和使用。

2 8650钦酸锉电池过充的安全性能

近年来，尖晶石型钦酸铿以其较高的嵌铿平台、良好的热稳定性及长循环寿命，在铿离子负极材料领域展示出良好的应用前景。在正极材料方面，成本低、无污染、低温性能好的尖晶石型锰酸铿成为锉离子电池负极材料研究的重点。因此，钦酸铿电池体系由于其上述显著优势己经成为行业普遍研究的热点。然而，安全性问题始终是制约锉离子电池发展的关键因素。其中，过充是最常见的安全性问题。由于过充造成过多的能量进入电池体系，电池容易出现电化学性能衰退、热失效、胀气和爆炸等现象，因此过充性能研究被认为是最重要的安全测试。AurelienDuPasquie：等研究了钦酸铿电池体系的功率性能和提高了其循环寿命。LuW等对该电池体系的热性能进行了研究和分析。然而，据我们所知，到目前为止对钦酸铿电池系统安全性问题的研究仍然非常少，特别是对过充后电池电化学性能和产热行为研究，极大地限制了其性能的提高以及商业化程度。

3相变材料的制备及性能测试

3.1相变材料的选择

铿离子动力电池的工作温度一般在-0℃—60℃之间，而最佳运行温度则为20℃—45℃内，当温度超过50℃时，电池的性能会迅速下降。在电动汽车运行过程中，其运行工况相当复杂，电池极有可能需要长时间大倍率放电，导致电池温度急剧上升，一般会达到80℃，90℃甚至100℃。因此，当采用相变材料作为电池热管理系统时，必须选择相变潜热大、相变温度合适的相变材料。综合以上因素，石蜡成为铿离子电池热管理系统相变传热介质的首选。

3.2相变材料制备

3.2.1膨胀石墨的制备

石墨是一种天然矿物，其特殊结构决定其特殊性能：热膨胀性小、润滑性、良好的导热、导电性、广泛温区内的可使用性、化学性能稳定且无毒性，此外还有可塑性、易加工成形等特点[[70，7。而石墨晶体是一种层状结构的碳材料，用物理或化学的方法将其他异类粒子如原子、分子、原子团等插入到石墨晶体层间，形成一种新的石墨层间化合物（即鳞片石墨）。鳞片石墨可在高温下急剧膨胀生成蠕虫状的膨胀石墨。鳞片石墨的膨胀机理是：由于鳞片石墨层间的分子间的作用力很弱，很容易在酸化氧化和电化学的环境下被其他物质插入，插层物在高温的条件下分解，石墨就在推动力的作用下沿C轴膨胀几十到几百倍。

3.2.2活性炭粉末的制备

活性炭是一种多孔径的碳化物，有极丰富的孔隙构造，具有良好的吸附特性，它的吸附作用籍物理及化学的吸附力而成的，其外观色泽呈黑色。活性炭主要是以含碳量较高的物质制成，如木材、煤、果壳、骨、石油残渣等。而在同等条件下，椰壳活性炭的活性质量及其它特性是最好的，因其有最大的比表面积。因此活性炭常被用来作吸附剂去除空气和水中的杂质。由于活性炭具有丰富的微孔，而且工艺简单，装置制造便宜，本课题基于石蜡导热性能差的不足，在石蜡/石墨相变材料基础上加入活性炭粉末，在降低成本的同时提高相变材料的导热性能。

4 PCM冷却技术对18650钦酸锉电池性能的影响

锉离子动力电池作为电动汽车的核心部件，其安全可靠的运行对电动汽车的发展至关重要。由于铿离子电池具有比能量大、循环寿命长、允许工作范围广等优点，逐渐成为电动汽车动力源的首选。然而，铿离子电池在大电流长时间持续放电的情况下，将会产生大量的热量，如果累积在电池内部的热量无法及时有效的散出，电池的温度将会迅速的上升，持续的高温将会导致铿离子电池的循环寿命降低、电化学性能衰退，甚至出现热失效的现象。因此，有效的控制铿离子电池的工作温度，使其在合理的范围内运行，有利于提高电池的循环寿命、减少安全事故的发生。随着温度对电池性能影响的日益严重，目前国内外的专家学者己经将主要的研究方向放在电池的冷却系统上，常见的电池热管理系统主要有以下几种：空气介质冷却系统、液体介质冷却系统、热管冷却系统、相变材料（PCM）冷却系统等。空气冷却系统结构简单、使用方便，然而空气强制对流换热系数低，因此该方法无法满足电池在大倍率和高温环境下持续运行时的散热需求。液体冷却系统相对于空气冷却系统而言，散热性能较好，但是其结构复杂，由于电动汽车行驶路况复杂，容易导致热管理系统出现漏液与电池接触引发短路的安全性隐患。热管冷却系统散热性能非常好，能有效的解决电池组大电流放电温度过高的问题。然而，热管自身的形状与电池的外形无法很好的匹配，造成热管安装不便，并且热管的使用寿命较低，长时间运行后会影响电池系统的寿命。相变材料热管理系统利用材料的相变潜热能有效的对电池进行散热，并且使用寿命长、结构简单、不带附加设备，低温环境中还能给电池加热，在目前的热管理系统中也备受重视。

參考文献：

[1]邱骏光.相变材料冷却技术在18650钛酸锂电池热管理中的应用研究[D].广东工业大学.2015.

[2]孙秋娟.镍钴锰酸锂/钛酸锂电池热效应的实验与模拟研究[D].中国科学技术大学.2015.

[3]施尚，余建祖，谢永奇，高红霞，李明.锂电池相变材料/风冷综合热管理系统温升特性[J].北京航空航天大学学报.2016（12）.

（作者单位：天津普兰能源科技有限公司）