دراسة تجريبية حول المشاكل الحرارية للبطاريات الليثيوم أيون

الخصائص الحرارية للبطاريات الليثيوم أيون تؤثر بشكل مباشر على أدائها التطبيقي (القدرة، المقاومة الداخلية، الطاقة، الخ) والسلامة الحرارية،والتي هي مصدر قلق أساسي للمستهلكينلتوجيه تصميم البطارية واستراتيجيات استخدامها وضمان تطبيقها الآمن والفعال، فإن البحث المتعمق في الخصائص الحرارية في ظل ظروف تشغيل مختلفة أمر حاسم.هذه الورقة تلخص وتحلل بشكل شامل التقدم البحثي في المشاكل الحرارية للبطاريات الليثيوم أيون من كل من منظور التجريبية والنموذج المحاكاة، والتي تشير إلى مزايا وعيوب الطريقتين واقتراح اقتراحات للبحوث المستقبلية التي تجمع بين كلا النهجين.

تشمل البطاريات القابلة لإعادة الشحن المستخدمة حالياً البطاريات الحمضية الرصاصية وبطاريات النيكل الكادميوم وبطاريات هيدريد النيكل المعدني وبطاريات ليثيوم أيون.البطاريات الليثيوم أيون تستخدم على نطاق واسع في الإلكترونيات الاستهلاكية، بطاريات الطاقة، وتخزين الطاقة بسبب مزاياها مثل عمر دورة طويلة، وكفاءة شحن-فراغ عالية، وطاقة محددة عالية، وعدم التلوث.الحوادث المتكررة للسلامة مثل الحرائق والانفجارات من بطاريات ليثيوم أيون جعلت مخاطر السلامة الحرارية خنقاً لمواصلة تطويرهاالشحن الزائد و الإفراط في تفريغ بطاريات ليثيوم أيون يمكن أن يسبب بسهولة التنفسات للخروج من المفرق مما يؤدي إلى حلقات قصيرةأو تسبب حلقات قصيرة داخلية بسبب الضغط أو ثقب، وكلاهما يؤدي إلى تراكم كبير من الحرارة، وارتفاع سريع في درجة الحرارة، وفي نهاية المطاف الهروب الحراري.تحسين تصميم البطارية، وتقدير تغيرات درجة الحرارة الداخلية، وتطوير أنظمة إدارة الحرارة لها أهمية كبيرة لضمان التشغيل الآمن والموثوق به للبطاريات، وتطويل عمر خدمتها،وتجنب حوادث الهروب الحراريفي الوقت الحاضر ، يتم تقسيم البحوث حول قضايا بطاريات ليثيوم أيون الحرارية إلى فئتين أساسًا: البحوث التجريبية ومحاكاة النموذج.

1أبحاث تجريبية حول توليد الحرارة في بطاريات ليثيوم أيون

الطرق التجريبية هي الوسيلة الأساسية لدراسة توليد الحرارة للبطاريات الليثيوم أيون.يستخدمون أساسا معدات الحرارة لمراقبة الخصائص الحرارية للبطارية في ظل ظروف تشغيل محددة، للحصول على بيانات دقيقة للإنتاج الحراري لتوفير دعم أساسي للبحوث اللاحقة.

1.1 البحوث التجريبية باستخدام معدات الحرارة المشتركة

في الوقت الحالي ، المعدات الأساسية لتجارب توليد الحرارة ببطارية ليثيوم أيون هي مقياس الحرارة المتسارع (ARC) و مقياس الحرارة المعادية الحرارة (IBC).يستخدم ARC لاختبار السلوك الحراري الخارجي وسلامة البطاريات والمكونات في ظل ظروف قريبة من الإديابات، ويمكن إجراء اختبارات مثل الاستقرار الحراري، والخصائص الحرارية للمواد، والقدرة الحرارية المحددة، والتصوير الحراري الهارب، واختبارات اختراق الإبرة / الضغط / الإفراط في الشحن.IBC يحافظ على درجة حرارة بطارية ثابتة من خلال نظام التبريد، قياس بدقة تبادل الحرارة بين البطارية والبيئة الخارجية في ظل ظروف تشغيل عادية وفي نطاق درجة حرارة نموذجي.غالبًا ما تجمع الأبحاث الحالية بين القياس الحراري وأساليب الاختبار الكهروكيماوي لاستكشاف العلاقة الجوهرية بين توليد الحرارة والسلوك الكهروكيماوي.

باستخدام 18650 بطارية ليثيوم أيونية أسطوانية كموضوع للبحث، تم استخدام مقياس الحرارة ومرور بطارية متعدد القنوات لتحليل آثار درجة حرارة التشغيل (35 درجة مئوية، 45 درجة مئوية،55 درجة مئوية) ومعدل الشحن / التفريغ (C / 3)أظهرت النتائج أن البطارية تطلق الحرارة باستمرار أثناء التفريغ.ويمتص الحرارة في البداية تليها الإفراج أثناء الشحن (حرارة التفاعل الأولية تهيمنكما أن معدل التفريغ له تأثير كبير على التأثير الحراري، في حين أن درجة حرارة البيئة لها تأثير طفيف.تم اختيار ثلاثة بطاريات أسطوانية 18650 من مصنعين مختلفين لدراسة تأثيرات معدل الشحن / التفريغ على ارتفاع درجة الحرارة ومعدل توليد الحرارة عند 35 درجة مئوية، والتحقق من التأثير الكبير لمعدل التفريغ، بما يتفق مع الأبحاث السابقة.

باستخدام بطارية ليتيوم فوسفات الحديد مربع 20 A∙h كغرض البحث،تم استخدام مقياس حرارة عازل الحرارة / أدياباتيك ومختبر إفراز الشحنة لتحليل تأثيرات معدل إفراز الشحنة بشكل منهجي (0.5C ~ 2C) ، ودرجة حرارة البيئة (-10 °C ~ 40 °C) ، وحالة الشحن (0 ~ 70٪) على الخصائص الحرارية. تظهر النتائج أنه في ظل الظروف الحرارية ، كلما زاد معدل الشحن والتفريغ ،كلما كانت حالة الشحن أصغروكلما انخفضت درجة حرارة البيئة، كلما زادت قوة توليد الحرارة في البطارية ومعدل تغير درجة الحرارة.كلما زاد ارتفاع درجة الحرارةحالة الشحن تؤثر فقط على معدل تغير درجة الحرارة خلال مرحلة التفريغ؛ كلما ارتفعت درجة الحرارة الأولية، كلما انخفض ارتفاع درجة الحرارة.هذا يوفر دعم البيانات لاختيار ظروف تشغيل البطارية.

1.2 الحساب النظري للمساعدة في التحليل التجريبي

طريقة الحساب النظرية تستند إلى مبدأ توليد الحرارة من خلال قياس المعلمات الرئيسية مثل الإفراط في القدرة، معامل الإنتروبيا، والمقاومة الداخليةوربطها مع الصيغ، يتم تقدير إجمالي توليد الحرارة للبطارية. أثناء الشحن والتفريغ العادي ، يمكن تجاهل الحرارة من ردود الفعل الجانبية وعمليات الخلط.يمكن حساب معدل توليد الحرارة باستخدام نموذج برناري المبسطالمطلوب الأساسي هو تحديد المقاومة الداخلية للبطارية (Rin) ومعامل الإنتروبيا (dU / dT). تتأثر المقاومة الداخلية للبطارية بالحرارة وحالة الشحن ،والشيخوخة، مع أنماط واضحة ، ولكن هناك اختلافات بسبب الاختلافات في مواد البطارية وعمليات التصنيع.

تم اختيار بطاريتين أسطوانيتين من طراز 18650، وتم اختبار مقاومتهما تحت حالات شحن مختلفة باستخدام أربع طرق.أعطت طريقة منحنى V-I الخصائص نتائج متسقة مع وأعلى من طريقة فرق الجهد العاملة بالجهد المفتوحفي نفس الوقت ، تم اختبار تغير الإنتروبيا باستخدام كلا الطريقتين ، مما يظهر توافقًا كبيرًا في البيانات.جنبا إلى جنب مع البيانات المقاومة وتغير الإنتروبيا، تطابق إلى حد كبير النتائج التجريبية، والتحقق من جدوى طريقة الحساب.

2- تطوير نماذج حرارية لبطاريات الليثيوم أيون

مع تطور تكنولوجيا الكمبيوتر، أصبحت محاكاة النموذج أداة مهمة لدراسة المشاكل الحرارية للبطاريات الليثيوم أيون.يمكن تصنيف النماذج إلى نماذج كتلة متكاملة ونماذج أحادية إلى ثلاثية الأبعاد؛ بناءً على الآلية ، يمكن تصنيفها إلى نماذج الارتباط الكهروكيميائي الحراري ، ونماذج الارتباط الكهربائي الحراري ، ونماذج إساءة استخدام الحرارة.كل نموذج يعالج المشاكل الحرارية في سيناريوهات مختلفة.

2.1 نموذج الارتباط الكهروكيماوي الحراري

تم بناء هذا النموذج من منظور توليد الحرارة من التفاعلات الكهروكيميائية وهو مناسب لمحاكاة توزيع درجة الحرارة في ظل ظروف تشغيل بطارية عادية.عادة ما يفترض كثافة التيار الموحدة (دقة موثوقة للبطاريات الصغيرة)نموذج الكهروكيماوي مزيف ثنائي الأبعاد مقترن بنموذج نقل حرارة ثلاثي الأبعادالنظر في مصادر الحرارة مثل التفاعلات الكهروكيميائية، وعمليات الاستقطاب، والخسائر الأوهمية، وأعطت نتائج المحاكاة ل 10 A·h بطارية الحديد الفوسفات الليثيوم كيس التي كانت متوافقة مع نتائج الاختبار التجريبي والأشعة تحت الحمراء،التحقق من فعالية النموذجكما تم العثور على أن درجة حرارة البطارية تجاوزت 50 درجة مئوية أثناء تفريغ 5 درجات مئوية، مما تطلب تصميم تدابير التبريد.

تم إنشاء نموذج متزامن كهروكيماوي أحادي الأبعاد وثلاثي الأبعاد للحرارة لدراسة السلوك الحراري لبطاريات LiMn2O4.تم العثور على أن الحرارة المعكوسة ليست ضئيلة عند معدلات التفريغ المنخفضةفي حين أن الحرارة الأوهمية تهيمن على معدلات التفريغ العالية. يمكن أن يقلل خفض سمك الإلكترود وحجم جسيم المواد النشطة من درجة حرارة البطارية.تم استخدام نموذج توليد الحرارة الإحداثي الأسطواني لاستكشاف الخصائص الحرارية بمعدلات تفريغ مختلفةأظهرت نتائج المحاكاة والتجربة توافقًا جيدًا ، مما يؤكد أن تسخين الجول يهيمن على معدلات التفريغ العالية وتسخين تغير الإنتروبيا يهيمن على معدلات التفريغ المنخفضة.

2.2 النموذج المرتبط بالكهرباء الحرارية

يجمع هذا النموذج بين توزيع كثافة التيار الداخلي للبطارية لدراسة توزيع الحقل الحراري، وتوجيه تصميم ودراسة الاتساق لشكل البطارية، والإلكترودات،ومجمعات التيارفي الوقت الحالي، تستخدم معظم النماذج نماذج ثنائية الأبعاد أو ثلاثية الأبعاد غير طبقة، ولا يزال هناك مجال لتحسين الدقة.تم استخدام نموذج ربط كهربائي ثنائي الأبعاد لدراسة بطاريات البوليمر LiMn2O4 و Li[NiCoMn]O2تم تحليل تأثيرات هيكل الأقطاب الكهربائية ومعدل التفريغ / الشحن على الإمكانات وكثافة التيار ومعدل توليد الحرارة.أظهرت نتائج المحاكاة موافقة جيدة مع البيانات التجريبية، وتوفير الدعم لتحسين استراتيجيات التبريد.

لـ 14.6 A∙h بطارية LiMn2O4/C، تم إنشاء نموذج ربط كهربائي لتحليل سلوك التفريغ في درجة حرارة منخفضة.تم إجراء نتائج المحاكاة عند درجات حرارة منخفضة (-20 درجة مئوية ~ 0 درجة مئوية) بما يتماشى مع نتائج التجربةتم إجراء محاكاة شحن - تفريغ طاقة ثابتة للحصول على توزيع درجة الحرارة تحت مستويات طاقة مختلفة ، مما يوفر مرجعًا لإدارة الحرارة في البطارية.

2.3 نموذج إساءة استخدام الحرارة

تم استخدام نموذج الإساءة الحرارية لدراسة السلامة الحرارية للبطارية ، وربط ردود الفعل الحرارية الخارجية الداخلية لمحاكاة حدوث وتطور الهروب الحراري تحت الإساءة الحرارية.تم إجراء مراجعة لأدب اختبار الإساءة والمحاكاةتم اختيار تفاعلات خارجية متعددة لإنشاء نماذج حرارية في ظل ظروف سوء الاستخدام مثل الصندوق الساخن ، الدائرة القصيرة ، الإفراط في الشحن ، و اختراق الإبرة.تم تحليل دور المربعات الفلورية في الهروب الحراري، ووجد أن تأثيرهم صغير نسبيا.

تحديث نموذج الإستهلاك الحراري أحادي الأبعاد إلى نموذج ثلاثي الأبعاد ، مع الأخذ في الاعتبار الشكل والحجم وتوزيع درجة حرارة المواد لمكونات البطارية ،وتجربات محاكاة الفرن كشفت أن البطاريات الصغيرة تبدد الحرارة بشكل أسرعنموذج محاكاة رقمية لتجربة اختراق الظفر، من خلال معادلات التحكم الكهروكيميائي ومعادلات الإساءة الحرارية،يتنبأ بدقة بتغيرات درجة الحرارة وبدء الهروب الحراري خلال عملية اختراق الظفر، متسقة مع النتائج التجريبية، وبالتالي حل مشكلة تجارب اختراق الأظافر التي تستغرق وقتا طويلا ومكلفة.

3الاستنتاجات والتوقعات

وتستخدم بطاريات الليثيوم أيون، بسبب أدائها الممتاز، على نطاق واسع في الإلكترونيات الاستهلاكية، والطاقة، وتخزين الطاقة، ولكن القضايا المتعلقة بالسلامة الحرارية تعيق اعتمادها على نطاق واسع.السبب الرئيسي للفرار الحراري هو عدم القدرة على إبعاد الحرارة غير الطبيعية في الوقت المناسب، مما يؤدي إلى تراكم الحرارة وارتفاع درجة الحرارة المفاجئ.كل منها له مزاياه وعيوبه: يمكن للأساليب التجريبية الحصول بدقة على بيانات توليد الحرارة في ظل ظروف العالم الحقيقي ، ولكن العملية معقدة ومستهلكة للوقت ومكلفة.أساليب محاكاة النموذج بسيطة ولديها دورة قصيرة، لكنها تحتوي على أخطاء معينة ويمكن أن تبتعد عن الواقع.

يجب أن يجمع البحث المستقبلي بين هذين النهجين: استخدام نتائج المحاكاة لتوجيه تصميم التجربة، وتقصير الدورات التجريبية وتقليل الميزانيات.واستخدام البيانات التجريبية للتحقق من نماذج المحاكاة ومراجعتهامن خلال هذا التآزر، يمكننا أن نتعمق في الخصائص الحرارية للبطاريات الليثيوم أيون، وتحسين حلول الإدارة الحرارية وتعزيز آمنة،فعالة، وتطبيق بطاريات ليثيوم أيون على نطاق واسع.