本文翻译与整理来源为美国宾夕法尼亚州立大学王朝阳团队发表于期刊Journal of PowerSources的文章“Computational design and refinement of self-heating lithium ion batteries”，该文主要报道了自加热锂电池SHLB的温度分布和电流分布的不一致性，以及SHLB
本文翻译与整理来源为美国宾夕法尼亚州立大学王朝阳团队发表于期刊Journal of PowerSources的文章“Computational design and refinement of self-heating lithium ion batteries”，该文主要报道了自加热锂电池SHLB的温度分布和电流分布的不一致性，以及SHLB内部温度梯度严重影响电池自加热时间和耗电量，并提出多层镍铂片设计的思想。 
图1
图1（a）：SHLB的结构除了传统锂离子电池：阳极、阴极和电解液/隔膜，SHLB还插入了一个薄镍箔，并在其上覆着有电绝缘聚合物。镍箔的一端连接到负极端子，镍箔的另一端延伸软包电芯之外形成第三个端子（激活端子）。 图1（b）：SHLB工作原理可以通过该简易电路原理图看出，当温度低于0℃时，激活开关保持打开状态，以强制电流流过镍箔，产生大量的欧姆热来迅速加热电池材料和电化学界面；而当电池温度达到或超过00℃，激活开关闭合，使电流绕过镍箔，电池就像传统锂电池一样，在较佳温度范围内工作，性能优越。图2（a）镍箔内部的温度比电池表面温度上升的很快，当表面温度上升到0℃时，在镍铂温度已达到约30℃。电池内部具有这么大的温度梯度将导致不同电芯单元具有不同的特性。图2（b）为外温-20℃，Vact = 0.4 V，电池电压和总激活电流曲线图（以10Ah为基准）。图3（a）展示了不同电池加热激活时间下，距离电池外表面不同尺寸下电池温度分布情况。图3（b）展示了不同电芯单元，不同电池加热激活时间下的电流情况。 得益于电池快速自加热，靠近镍箔的电芯单元可以放出更高的电流，10s约达到9C。但是，靠近外表面的电芯单元低于5C放电，这些电芯单元的放电电流均随时间减小。电池内部温度梯度较大的主要原因是镍箔到电池外表面的沿着界面方向的传热不足，图4（a）表明在电池加热激活过程中，大部分热力来自于镍铂内阻发热，从图中可以看出，镍铂发热带来的热量从加热激活起始阶段的占比63%一直升到结束阶段的87%，平均占比约78%。图4（b）~4（d）展示了测试所选择的不同电芯单元的不同位置处温度变化、电流变化以及荷电状态SOC变化情况，其中，电芯单元1最靠近电池外表面，电芯单元16比邻镍铂。离镍铂最近的地方，电芯单元16温度在5s内从-20℃升至-5℃。同样得益于快速自加热，电芯单元16的放电电流也在5s快速增加至8.2C，而电芯单元1的温升很慢，5s才升至-17.8℃。通过改变电芯单元的有效导热系数来模拟研究电池温度梯度对电池自加热激活时间和加热耗电量的影响，结果如图5所示。从图中可以看出，随着导热系数的增大，镍铂最高温度呈现指数形式下降。当导热系数足够大的时候，镍铂温度接近电池外表面温度，意味着电池温度梯度趋近于0。原文作者团队通过计算设计了一个通过在电池内部插入多片镍铂，而不是在电池中心放置单一镍铂来改进SHLB结构，如图6（a-b）。新设计的SHLB可以有效地缩短从发热镍箔到周围电池材料和组件的热传递路径，进而显著地改善加热时间和减少能量消耗。从示意图可看出这些多片的镍铂为并联连接。镍铂的总电阻还是保持与单片镍铂一致，为56.2mΩ（20℃），则双片镍铂的每个镍铂片电阻设计为112.4 mΩ（20℃），三片镍铂的每个镍铂片电阻设计为168.6mΩ（20℃）。
经过模拟仿真试验得到图6（c-d）曲线， Vact=0.4 V，外温=-20℃条件下，不同片数镍铂电池表面温度和镍铂温度的变化情况，以及不同电芯单元的自加热耗电量情况。从图中分析可以看出，自加热时间从单片镍铂的27.7s减小到双片镍铂的20.8s和三片镍铂的19.4s，分别可以缩短加热时间约25%和30%。自加热总耗电量也从单片镍铂的4.15%降低至双片镍铂的3.23%s和三片镍铂的3.03%，分别可以减少约22%和27%的耗电量。
广告
广告 
广告
广告
广告