J. Electrochem. Soc.最新综述:锂离子电池的热管理系统的问题和展望

J. Electrochem. Soc.最新综述:锂离子电池的热管理系统的问题和展望【研究背景】

    由于锂离子电池LIBs)对整个世界经济和技术发展产生了革命性影响,其发明者因此获得2019年诺贝尔奖。同时锂离子电池正在迅速成为电网和电动汽车能量储存和动力传输系统的主要组成部分,锂离子电池的发展速度正在加快,它们在小型电子设备(如智能手机、平板电脑和电脑)、电动化交通(电动汽车)和大型储能系统(电网)等方面得到广泛应用。预计未来十年全球锂离子电池产量将持续增长,增长幅度为4倍到10倍的范围(如图1

J. Electrochem. Soc.最新综述:锂离子电池的热管理系统的问题和展望1. 未来十年锂电池全球产量的预期增长

    材料性能的进步提高了电池的比能量和动力传输能力,因此有希望进一步扩大它们的用途。与此同时,人们已经认识到,在锂离子电池从制造到工作再到资源回收的整个生命周期中,需要继续努力来提高LIBs的安全性。单个电池中的热失控(TR)和电池间的热传播是导致锂离子电池不稳定的两个潜在因素,可能会降低其热安全性。TR发生在单个电池中,也可能会在多电池中传播。TR传播可导致爆燃、破裂和排气,对设备和用户造成严重后果。电池热管理是提高该技术整体安全性的一个重要方面,主要目标是预测、预防和减轻LIBs中TR和电池间TR传播两种热能效应。但是大多数电池管理系统通常包括安装在选定电池上的几个热敏电阻,以监控它们的表面温度,这种方法并不能跟上能量存储和动力传输能力的发展。

【成果简介】

    近日,美国约翰斯·霍普金斯大学Rengaswamy Srinivasan教授(通讯作者)对锂离子电池热管理工作,包括传感器和直接测量电池内部温度的方法进行概述。在这篇综述中,作者基于原因分析和经验证据,表明电池中的热失控和电池间的热传播是由于电池内部物理和化学特性的不利变化造成的。追踪电池内TR前后变化,对电池间TR传播的复杂途径成功建模和绘制。防止TR和热传播的创新解决方案正在提出,其中包括用于快速监测每个电池内部状况的现代电池管理系统,以及物理和化学方法,以减少TR情况下电池间热量和物质快速传输的有害影响。相关研究成果以Review-Thermal Safety Management in Li-Ion Batteries: Current Issues and Perspectives 为题发表在 J. Electrochem. Soc. 上。

【核心内容】

  1. 数学模型

    通过更清楚地了解锂离子的组成部分,使用各种数学和计算模型来更好地解释热安全性。这些包括对电池内部在排气和TR前后发生的个体反应设计确定的模型,如多电池解决方案中电池设计和包装结构的计算流体动力学(CFD)模拟,可燃性极限和高通量筛选研究,将材料的实际信号与系统响应联系起来。同样的,在系统中,使用反馈到电路模型参数的传感器故障检测,量化故障概率的数据驱动方法,通过故障模式或类似方法进行风险评估,基于云端的故障诊断工具,以及跨越不同电池形式和化学物质的趋势。但是预测TR存在一些关键问题,包括其出现的频率极低、缺乏对热失控的一致定义,导致实验室规模的测试结果和现实情况不匹配,并且随着电池测试物品的尺寸和复杂性的增长,用于测试的预算显著增加。因此,机器学习或大数据分析等模式识别方法可以获得有限的训练数据集,从而产生足够信赖的结果。另一方面,即使在仔细控制了测试设置和操作人员的可变性之后,机械滥用测试结果的结果也不是一直确定的。这种情况下,分析系统级测试结果对特定设计参数的敏感性是非常有用的。从这些试验中获得的参数的区间作为数学模型的输入,并可用于建立安全图,显示由每个参数导出的故障概率的相互作用(如图2)。

J. Electrochem. Soc.最新综述:锂离子电池的热管理系统的问题和展望2. 通过数学模型构建的通用安全图

  1. 智能电池管理系统(BMS

    BMS-iPROUD的概念示意图如图3所示,iPROUD的作用不仅接收来自BMS的信息,还通过双向通信通道接收来自负载和电网的信息。iPROUD设备的目标是调节电池从电网接收和存储能量的速率,以及电池支持负载的速率。BMS具有每个电池的内部状态(如电压、温度、阻抗等)的传感器,监视和管理电池中的每个电池,并将这些数据输入到iPROUD中。它使用这些数据将每个电池的内部状态与电池的功能性能联系起来,并将数据与从负载接收的信息相结合,决定电池可提供的电力支持水平。它对电网与电池的相互作用做出类似的决定。如果BMS检测到电池中任何一个电池的内部状态异常,那么iPROUD将不允许给异常电池模块充电,直到电池状态恢复正常。

J. Electrochem. Soc.最新综述:锂离子电池的热管理系统的问题和展望3.BMS协同工作的iPROUD原理图

    如图4所示为快速充电的例子,利用电池内部温度来决定充电的过程。电池快速充电不仅方便了电动汽车,而且在电网应用中也是必不可少的。它也是一个操作参数,可以增加电池内部温度,潜在地加速电池老化,推动它进入TR和排气。试图使用表面温度作为参数来保护电池不排气可能会产生误导,因此是有害的。图4中的数据是由电池中的一个电池单元(5.3 Ah),开始以接近2 C的速率充电。这个例子中的电池通常以0.7 C的速率充电,完全放电后大约需要120 min才能充满。当温度提高到35℃以上时,iPROUD将电流转换为零,使电池内部冷却,并在其他时间将充电速率限制在0.7 C和0.5 C,电池完全充电的总时间是95 min。相反,如果选择电池表面温度作为参数,并将其限制设置为35℃以切断电流,则温度会增加到一个更高的值,会加速电池老化,导致电池热失控。iPROUD将温度和电池电压作为控制参数,通过电池的电解质和电荷转移电阻以及库仑容量以改善电池管理,从而获得更高的安全性、长寿命以及能量存储和动力传输效率。

J. Electrochem. Soc.最新综述:锂离子电池的热管理系统的问题和展望4. 通过限制电池内部温度并将其作为充电过程中的控制参数之一,可减少25%的充电时间。在所示例中,5.3 Ah电池的充电速度比推荐的速度更快,同时限制温度小于35℃,电池电压在4.2 V

【结论展望】

    总而言之,锂离子电池是目前最有效的能量存储和动力传输电化学系统,它们也是最难管理的系统,尤其是从热安全的角度来看。市场需求推动着锂离子电池和电池制造以不断增长的速度发展,越来越多的设备因电池故障而经历更大的火灾。为了防止火灾,锂离子电池依赖于BMS,但大多数锂离子电池的BMS设计都是仿照过去使用的NiCd电池、NiMH电池、铅酸电池和其他水系电池设计,在这些电池中由于通风、易燃的电解液而没有风险。然而,锂离子电池中发生火灾的机制是完全不同的,因此适用于水系电池的BMS设计不适用于预测锂离子电池内部的变化。针对锂离子特定和以安全为中心的BMS设计所需的先进技术已经可用,工业和使用者都需要认识到这些事实,并采用当今的传感器技术和积累的科学知识来安全地管理现代电化学系统。

Rengaswamy Srinivasan∗, Plamen A. Demirev, Bliss G. Carkhuff, Shriram Santhanagopalan, Judith A. Jeevarajan, and Thomas P. Barrera, Review-Thermal Safety Management in Li-Ion Batteries: Current Issues and Perspectives, Journal of The Electrochemical Society, 2020, DOI:10.1149/1945-7111/abc0a5

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参考文献:Journal of The Electrochemical Society