مطالعه تجربی در مورد مشکلات حرارتی باتری های لیتیوم یون

مشخصات حرارتی باتری‌های لیتیوم-یون مستقیماً بر عملکرد کاربردی آن‌ها (ظرفیت، مقاومت داخلی، توان و غیره) و ایمنی حرارتی تأثیر می‌گذارند که این امر نگرانی اصلی مصرف‌کنندگان است. برای هدایت استراتژی‌های طراحی و استفاده از باتری و اطمینان از کاربرد ایمن و کارآمد آن‌ها، تحقیقات عمیق در مورد مشخصات حرارتی تحت شرایط عملیاتی مختلف بسیار مهم است. این مقاله به طور جامع پیشرفت تحقیقات در مورد مشکلات حرارتی باتری‌های لیتیوم-یون را از هر دو منظر تجربی و شبیه‌سازی مدل، خلاصه و تجزیه و تحلیل می‌کند و به مزایا و معایب دو روش اشاره کرده و پیشنهاداتی برای تحقیقات آینده با ترکیب هر دو رویکرد ارائه می‌دهد.

در حال حاضر، باتری‌های قابل شارژ رایج شامل باتری‌های سرب-اسید، نیکل-کادمیوم، نیکل-فلز هیدرید و لیتیوم-یون هستند. در میان آن‌ها، باتری‌های لیتیوم-یون به دلیل مزایایی مانند عمر چرخه طولانی، راندمان شارژ و دشارژ بالا، انرژی ویژه بالا و عدم آلودگی، به طور گسترده در لوازم الکترونیکی مصرفی، باتری‌های قدرت و ذخیره‌سازی انرژی استفاده می‌شوند. با این حال، در سال‌های اخیر، حوادث ایمنی مکرر مانند آتش‌سوزی و انفجار باتری‌های لیتیوم-یون، خطرات ایمنی حرارتی را به یک گلوگاه برای توسعه بیشتر آن‌ها تبدیل کرده است. شارژ بیش از حد و دشارژ بیش از حد باتری‌های لیتیوم-یون می‌تواند به راحتی باعث نفوذ دندریت‌ها به جداکننده و ایجاد اتصال کوتاه شود، یا به دلیل فشرده‌سازی یا سوراخ شدن، اتصال کوتاه داخلی ایجاد کند، که هر دو منجر به تجمع زیاد گرما، افزایش سریع دما و در نهایت فرار حرارتی می‌شوند. بنابراین، مطالعه مشخصات حرارتی و ایمنی حرارتی باتری، بهینه‌سازی طراحی باتری، تخمین تغییرات دمای داخلی و توسعه طرح‌های مدیریت حرارتی برای اطمینان از عملکرد ایمن و قابل اعتماد باتری‌ها، افزایش عمر مفید آن‌ها و جلوگیری از حوادث فرار حرارتی از اهمیت بالایی برخوردار است. در حال حاضر، تحقیقات در مورد مسائل حرارتی باتری‌های لیتیوم-یون عمدتاً به دو دسته تقسیم می‌شوند: تحقیقات تجربی و شبیه‌سازی مدل.

۱. تحقیقات تجربی در مورد تولید حرارت در باتری‌های لیتیوم-یون

روش‌های تجربی ابزار اصلی مطالعه تولید حرارت باتری‌های لیتیوم-یون هستند. آن‌ها عمدتاً از تجهیزات کالریمتری برای نظارت بر مشخصات حرارتی باتری تحت شرایط عملیاتی خاص استفاده می‌کنند و داده‌های تولید حرارت را به دقت به دست می‌آورند تا پشتیبانی اساسی برای تحقیقات بعدی فراهم کنند.

۱.۱ تحقیقات تجربی با استفاده از تجهیزات کالریمتری ترکیبی

در حال حاضر، تجهیزات اصلی آزمایش‌های تولید حرارت باتری لیتیوم-یون، کالریمتری شتاب‌دار (ARC) و کالریمتری ایزوترمال (IBC) هستند. ARC برای آزمایش رفتار گرمازا و ایمنی باتری‌ها و اجزا تحت شرایط تقریباً آدیاباتیک استفاده می‌شود و می‌تواند آزمایش‌هایی مانند پایداری حرارتی، خواص حرارتی مواد، ظرفیت گرمایی ویژه، تجسم فرار حرارتی و آزمایش‌های نفوذ سوزن/فشار/شارژ بیش از حد را انجام دهد. IBC دمای باتری را از طریق یک سیستم خنک‌کننده ثابت نگه می‌دارد و تبادل حرارت بین باتری و محیط خارجی را تحت شرایط عملیاتی عادی و در محدوده دمایی معمول به دقت اندازه‌گیری می‌کند. تحقیقات فعلی اغلب کالریمتری را با روش‌های آزمایش الکتروشیمیایی ترکیب می‌کنند تا رابطه ذاتی بین تولید حرارت و رفتار الکتروشیمیایی را بررسی کنند.

با استفاده از باتری‌های لیتیوم-یون استوانه‌ای ۱۸۶۵۰ به عنوان موضوع تحقیق، از یک کالریمتری و یک سیکلر باتری چند کاناله برای تجزیه و تحلیل تأثیرات دمای عملیاتی (۳۵ درجه سانتی‌گراد، ۴۵ درجه سانتی‌گراد، ۵۵ درجه سانتی‌گراد) و نرخ شارژ/دشارژ (C/3، C/2، C/1) بر نرخ تولید حرارت استفاده شد. نتایج نشان داد که باتری در طول دشارژ به طور مداوم گرما آزاد می‌کند و در طول شارژ ابتدا گرما جذب کرده و سپس آزاد می‌کند (گرمای واکنش اولیه غالب است، گرمای ژول بعدی غالب است). علاوه بر این، نرخ دشارژ تأثیر قابل توجهی بر اثر گرمازا دارد، در حالی که دمای محیط تأثیر کمی دارد. با گسترش انواع باتری، سه باتری استوانه‌ای ۱۸۶۵۰ از تولیدکنندگان مختلف برای بررسی تأثیرات نرخ شارژ/دشارژ بر افزایش دما و نرخ تولید حرارت در ۳۵ درجه سانتی‌گراد انتخاب شدند که تأثیر قابل توجه نرخ دشارژ را تأیید کرد، مطابق با تحقیقات قبلی.

با استفاده از یک باتری مربعی لیتیوم فسفات آهن ۲۰ آمپر ساعت به عنوان موضوع تحقیق، از یک کالریمتری ایزوترمال/آدیاباتیک و یک تستر شارژ-دشارژ برای تجزیه و تحلیل سیستماتیک تأثیرات نرخ شارژ-دشارژ (۰.۵C~۲C)، دمای محیط (-۱۰ درجه سانتی‌گراد~۴۰ درجه سانتی‌گراد) و وضعیت شارژ (۰~۷۰٪) بر مشخصات حرارتی استفاده شد. نتایج نشان می‌دهد که تحت شرایط ایزوترمال، هرچه نرخ شارژ-دشارژ بالاتر باشد، وضعیت شارژ کمتر باشد و دمای محیط پایین‌تر باشد، توان تولید حرارت و نرخ تغییر دما در باتری بالاتر است. تحت شرایط آدیاباتیک، هرچه نرخ شارژ-دشارژ بالاتر باشد، افزایش دما قابل توجه‌تر است. وضعیت شارژ فقط بر نرخ تغییر دما در فاز دشارژ تأثیر می‌گذارد؛ هرچه دمای اولیه بالاتر باشد، افزایش دما کمتر است. این امر پشتیبانی داده‌ای برای انتخاب شرایط عملیاتی باتری فراهم می‌کند.

۱.۲ محاسبه نظری برای کمک به تجزیه و تحلیل تجربی

روش محاسبه نظری بر اساس اصل تولید حرارت است. با اندازه‌گیری پارامترهای کلیدی مانند پتانسیل اضافی، ضریب آنتروپی و مقاومت داخلی، و ترکیب آن‌ها با فرمول‌ها، کل تولید حرارت باتری تخمین زده می‌شود. در طول شارژ-دشارژ عادی، گرمای ناشی از واکنش‌های جانبی و فرآیندهای اختلاط قابل چشم‌پوشی است. نرخ تولید حرارت را می‌توان با استفاده از مدل ساده شده برناردی محاسبه کرد. الزام اصلی تعیین مقاومت داخلی باتری (Rin) و ضریب آنتروپی (dU/dT) است. مقاومت داخلی باتری تحت تأثیر دما، وضعیت شارژ و پیری قرار دارد و الگوهای مشخصی دارد، اما به دلیل تفاوت در مواد باتری و فرآیندهای تولید، تغییراتی وجود دارد.

دو باتری استوانه‌ای ۱۸۶۵۰ انتخاب شدند و مقاومت آن‌ها تحت وضعیت‌های شارژ مختلف با استفاده از چهار روش آزمایش شد. روش منحنی مشخصه V-I نتایجی سازگار با و بالاتر از روش اختلاف ولتاژ مدار باز-ولتاژ عملیاتی به دست داد. همزمان، تغییر آنتروپی با استفاده از هر دو روش آزمایش شد و توافق داده‌ای بالایی نشان داد. افزایش دمای تخمینی و نرخ تولید حرارت، همراه با داده‌های مقاومت و تغییر آنتروپی، تا حد زیادی با نتایج تجربی مطابقت داشت و امکان‌پذیری روش محاسبه را تأیید کرد.

۲. توسعه مدل‌های حرارتی باتری لیتیوم-یون

با توسعه فناوری کامپیوتر، شبیه‌سازی مدل به ابزاری مهم برای مطالعه مشکلات حرارتی باتری‌های لیتیوم-یون تبدیل شده است. بر اساس ابعاد، مدل‌ها را می‌توان به مدل‌های توده‌ای و مدل‌های یک تا سه بعدی تقسیم کرد؛ بر اساس مکانیسم، آن‌ها را می‌توان به مدل‌های کوپلینگ الکتروشیمیایی-حرارتی، مدل‌های کوپلینگ الکتروترمال و مدل‌های سوء استفاده حرارتی تقسیم کرد. هر مدل به مشکلات حرارتی در سناریوهای مختلف می‌پردازد.

۲.۱ مدل کوپلینگ الکتروشیمیایی-حرارتی

این مدل از منظر تولید حرارت از واکنش‌های الکتروشیمیایی ساخته شده است و برای شبیه‌سازی توزیع دما تحت شرایط عملیاتی عادی باتری مناسب است. این مدل معمولاً چگالی جریان یکنواخت را فرض می‌کند (دقت قابل اعتماد برای باتری‌های کوچک، اما برای باتری‌های بزرگ خطا وجود دارد). یک مدل الکتروشیمیایی شبه دو بعدی کوپل شده با یک مدل انتقال حرارت سه بعدی، با در نظر گرفتن منابع حرارتی مانند واکنش‌های الکتروشیمیایی، فرآیندهای پلاریزاسیون و تلفات اهمی، نتایج شبیه‌سازی را برای یک باتری کیسه‌ای لیتیوم فسفات آهن ۱۰ آمپر ساعت به دست آورد که با نتایج تجربی و آزمایش‌های مادون قرمز سازگار بود و اثربخشی مدل را تأیید کرد. همچنین مشخص شد که دمای باتری در طول دشارژ ۵C از ۵۰ درجه سانتی‌گراد فراتر رفت و نیاز به طراحی اقدامات خنک‌کننده را ضروری می‌سازد.

یک مدل کوپلینگ الکتروشیمیایی یک بعدی و حرارتی سه بعدی برای مطالعه رفتار حرارتی باتری‌های LiMn2O4 ایجاد شد. مشخص شد که گرمای برگشت‌پذیر در نرخ‌های دشارژ پایین قابل چشم‌پوشی نیست، در حالی که گرمای اهمی در نرخ‌های دشارژ بالا غالب است. کاهش ضخامت الکترود و اندازه ذرات ماده فعال می‌تواند دمای باتری را کاهش دهد. برای باتری‌های استوانه‌ای ۱۸۶۵۰، از یک مدل تولید حرارت مختصات استوانه‌ای برای بررسی مشخصات حرارتی در نرخ‌های دشارژ مختلف استفاده شد. نتایج شبیه‌سازی و تجربی توافق خوبی نشان دادند و تأیید کردند که گرمایش ژول در نرخ‌های دشارژ بالا و گرمایش تغییر آنتروپی در نرخ‌های دشارژ پایین غالب است.

۲.۲ مدل کوپلینگ الکتروترمال

این مدل توزیع چگالی جریان داخلی باتری را ترکیب می‌کند تا توزیع میدان دما را مطالعه کند و طراحی و تحقیقات سازگاری شکل باتری، الکترودها و جمع‌کننده‌های جریان را هدایت می‌کند. در حال حاضر، بیشتر مدل‌ها از مدل‌های غیر لایه‌ای دو بعدی یا سه بعدی استفاده می‌کنند و هنوز جای بهبود در دقت وجود دارد. یک مدل کوپلینگ الکتروترمال دو بعدی برای مطالعه باتری‌های پلیمری LiMn2O4 و Li[NiCoMn]O2 استفاده شد. تأثیرات ساختار الکترود و نرخ دشارژ/شارژ بر پتانسیل، چگالی جریان و نرخ تولید حرارت تجزیه و تحلیل شد. نتایج شبیه‌سازی توافق خوبی با داده‌های تجربی نشان داد و پشتیبانی برای بهینه‌سازی استراتژی‌های خنک‌کننده فراهم کرد.

برای یک باتری ۱۴.۶ آمپر ساعت LiMn2O4/C، یک مدل کوپلینگ الکتروترمال برای تجزیه و تحلیل رفتار دشارژ در دمای پایین ایجاد شد. با اصلاح پارامترهای مدل، نتایج شبیه‌سازی در دماهای پایین (-۲۰ درجه سانتی‌گراد~۰ درجه سانتی‌گراد) با نتایج تجربی سازگار شد. شبیه‌سازی‌های شارژ-دشارژ توان ثابت برای به دست آوردن توزیع دما تحت سطوح توان مختلف انجام شد و مرجعی برای مدیریت حرارتی باتری فراهم کرد.

۲.۳ مدل سوء استفاده حرارتی

مدل سوء استفاده حرارتی برای مطالعه ایمنی حرارتی باتری استفاده شد و واکنش‌های گرمازای داخلی را کوپل کرد تا وقوع و توسعه فرار حرارتی تحت سوء استفاده حرارتی را شبیه‌سازی کند. مروری بر ادبیات آزمایش سوء استفاده و شبیه‌سازی انجام شد و چندین واکنش گرمازا برای ایجاد مدل‌های حرارتی تحت شرایط سوء استفاده مانند جعبه داغ، اتصال کوتاه، شارژ بیش از حد و نفوذ سوزن انتخاب شدند. نقش بایندرهای فلورینه در فرار حرارتی تجزیه و تحلیل شد و تأثیر آن‌ها نسبتاً کوچک یافت شد.

ارتقاء مدل سوء استفاده حرارتی یک بعدی به یک مدل سه بعدی، با در نظر گرفتن شکل، اندازه و توزیع دمای مواد اجزای باتری، و شبیه‌سازی آزمایش‌های کوره نشان داد که باتری‌های کوچکتر گرما را سریعتر دفع می‌کنند و کمتر مستعد فرار حرارتی هستند. یک مدل شبیه‌سازی عددی از آزمایش نفوذ میخ، از طریق معادلات کنترل الکتروشیمیایی و معادلات سوء استفاده حرارتی، تغییرات دما و شروع فرار حرارتی را در طول فرآیند نفوذ میخ به دقت پیش‌بینی می‌کند، که با نتایج تجربی سازگار است، بنابراین مشکل آزمایش‌های زمان‌بر و پرهزینه نفوذ میخ را حل می‌کند.

۳. نتیجه‌گیری و چشم‌انداز

باتری‌های لیتیوم-یون، به دلیل عملکرد عالی خود، به طور گسترده در لوازم الکترونیکی مصرفی، قدرت و ذخیره‌سازی انرژی استفاده می‌شوند، اما مسائل ایمنی حرارتی مانع پذیرش گسترده آن‌ها می‌شود. دلیل اصلی فرار حرارتی، ناتوانی در دفع حرارت غیرعادی در زمان مناسب و در نتیجه تجمع گرما و افزایش ناگهانی دما است. هر دو روش تجربی و روش‌های شبیه‌سازی مدل ابزارهای کلیدی برای مطالعه مشکلات حرارتی هستند که هر کدام مزایا و معایب خود را دارند: روش‌های تجربی می‌توانند داده‌های تولید حرارت را تحت شرایط واقعی به دقت به دست آورند، اما فرآیند پیچیده، زمان‌بر و پرهزینه است؛ روش‌های شبیه‌سازی مدل ساده هستند و چرخه کوتاهی دارند، اما دارای خطاهای مشخصی هستند و ممکن است از واقعیت منحرف شوند.

تحقیقات آینده باید این دو رویکرد را به طور ارگانیک ترکیب کنند: استفاده از نتایج شبیه‌سازی برای هدایت طراحی تجربی، کوتاه کردن چرخه‌های آزمایشی و کاهش بودجه؛ و استفاده از داده‌های تجربی برای تأیید و اصلاح مدل‌های شبیه‌سازی، بهبود دقت شبیه‌سازی. از طریق این هم‌افزایی، می‌توانیم به طور عمیق‌تری به مشخصات حرارتی باتری‌های لیتیوم-یون بپردازیم، راه‌حل‌های مدیریت حرارتی را بهینه کنیم و کاربرد ایمن، کارآمد و در مقیاس بزرگ باتری‌های لیتیوم-یون را ترویج دهیم.