การศึกษาแบบทดลองเกี่ยวกับปัญหาความร้อนของแบตเตอรี่ลิตยูไอออน

คุณสมบัติทางความร้อนของแบตเตอรี่ลิตியம்ไอออน มีผลต่อผลการใช้งาน (ความจุ, ความต้านทานภายใน, กําลัง, ฯลฯ) และความปลอดภัยทางความร้อนโดยตรงซึ่งเป็นความกังวลหลักของผู้บริโภคเพื่อนําไปสู่การออกแบบและการใช้กลยุทธ์ของแบตเตอรี่ และให้แน่ใจว่าการใช้งานของพวกเขาปลอดภัยและมีประสิทธิภาพ การวิจัยลึกเกี่ยวกับคุณสมบัติทางความร้อนในสภาพการทํางานที่แตกต่างกันบทความนี้สรุปและวิเคราะห์อย่างครบถ้วนความก้าวหน้าของการวิจัยเกี่ยวกับปัญหาความร้อนของแบตเตอรี่ลิตியம்ไอออน จากมุมมองการทดลองและการจําลองแบบจําลอง, ชี้ให้เห็นข้อดีและข้อเสียของสองวิธีและเสนอข้อเสนอแนะสําหรับการวิจัยในอนาคตที่รวมทั้งสองวิธีการ

ปัจจุบัน แบตเตอรี่ที่สามารถชาร์จใหม่ได้ที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ แบตเตอรี่กรด鉛, แบตเตอรี่ไนเคิล-แคดมีียม, แบตเตอรี่ไฮดริดโลหะไนเคิล และ แบตเตอรี่ลิตยูไอออนแบตเตอรี่ลิตியம்ไอออนใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ผู้บริโภค, แบตเตอรี่พลังงาน, และการเก็บพลังงาน เนื่องจากข้อดีของพวกเขา เช่น อายุจักรยานยนต์ยาว, ประสิทธิภาพการชาร์จ-การชาร์จสูง, พลังงานเฉพาะสูง, และไม่มีมลพิษอุบัติเหตุความปลอดภัยที่เกิดขึ้นบ่อย เช่น ไฟไหม้และระเบิดของแบตเตอรี่ลิตியம்ไอออน ทําให้ความเสี่ยงความปลอดภัยทางความร้อนเป็นอุปสรรคในการพัฒนาต่อไปการชาร์จเกินและการปล่อยแบตเตอรี่ลิตিয়ামไอออนเกิน สามารถทําให้ดันดริทสามารถเจาะเข้าไปในตัวแยกหรือเกิดการตัดสั้นภายในเนื่องจากการบดหรือเจาะดังนั้น การศึกษาลักษณะความร้อนของแบตเตอรี่และความปลอดภัยของความร้อนการปรับปรุงการออกแบบแบตเตอรี่การประเมินการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิภายใน และการพัฒนาระบบการจัดการความร้อนมีความสําคัญมากในการรับรองการทํางานที่ปลอดภัยและน่าเชื่อถือของแบตเตอรี่และหลีกเลี่ยงอุบัติเหตุที่เกิดจากการหลุดจากอุณหภูมิปัจจุบันการวิจัยเกี่ยวกับปัญหาความร้อนของแบตเตอรี่ลิตியம்ไอออน ส่วนใหญ่แบ่งออกเป็นสองหมวดหมู่: การวิจัยทดลองและการจําลองแบบจําลอง

1การวิจัยทดลองเกี่ยวกับการผลิตความร้อนในแบตเตอรี่ลิทธิียมไอออน

วิธีการทดลองเป็นหนทางหลักในการศึกษาการผลิตความร้อนของแบตเตอรี่ลิตিয়ামไอออนพวกเขาใช้อุปกรณ์คอลอรี่เมตรเป็นหลักในการติดตามคุณสมบัติความร้อนของแบตเตอรี่ ภายใต้สภาพการทํางานเฉพาะเจาะจง, การสรรหาข้อมูลการผลิตความร้อนอย่างแม่นยําเพื่อให้การสนับสนุนพื้นฐานสําหรับการวิจัยต่อ ๆ ไป

1.1 การวิจัยทดลองโดยใช้อุปกรณ์คอลอริเมตรรวม

ปัจจุบัน อุปกรณ์หลักสําหรับการทดลองการผลิตความร้อนจากแบตเตอรี่ลิเดียมไอออน คือ คาลอริเมตรเร่ง (ARC) และ คาลอริเมตรไอโซเทิร์ม (IBC)ARC ใช้ในการทดสอบพฤติกรรม exothermic และความปลอดภัยของแบตเตอรี่และส่วนประกอบภายใต้สภาพใกล้adiabatic, และสามารถดําเนินการทดสอบ เช่น ความมั่นคงทางอุณหภูมิ, คุณสมบัติทางอุณหภูมิของวัสดุ, ความจุของความร้อนเฉพาะ, การจินตนาการทางอุณหภูมิ, และการทดสอบเจาะเข็ม/ดึง/การชาร์จเกินIBC รักษาอุณหภูมิแบตเตอรี่คงที่ผ่านระบบเย็น, การวัดความละเอียดของการแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างแบตเตอรี่และสภาพแวดล้อมภายนอก ภายใต้สภาพการทํางานปกติและภายในช่วงอุณหภูมิทั่วไปการวิจัยปัจจุบันมักรวมการวัดความร้อนกับวิธีการทดสอบทางไฟฟ้าเคมี เพื่อสํารวจความสัมพันธ์ระหว่างการผลิตความร้อนและพฤติกรรมทางไฟฟ้าเคมี.

โดยใช้แบตเตอรี่ลิตยูไอออนทรงกระบอก 18650 เป็นวัตถุในการวิจัย ใช้เครื่องวัดความร้อนและเครื่องวัดวงจรแบตเตอรี่หลายช่อง เพื่อวิเคราะห์ผลกระทบของอุณหภูมิการทํางาน (35 °C, 45 °C,55°C) และอัตราการชาร์จ/ชาร์จ (C/3, C/2, C/1) ในอัตราการผลิตความร้อน ผลแสดงให้เห็นว่าแบตเตอรี่ปล่อยความร้อนอย่างต่อเนื่องระหว่างการปล่อยและเริ่มต้นดูดซึมความร้อนตามด้วยการปล่อยระหว่างการชาร์จ (ความร้อนปฏิกิริยาเริ่มต้นเป็นหลัก, ภายหลังความร้อนของ Joule เป็นหลัก) นอกจากนี้อัตราการปล่อยของมีผลกระทบที่สําคัญต่อผลกระทบ exothermic ในขณะที่อุณหภูมิแวดล้อมมีผลกระทบเล็ก ๆ น้อย ๆการเลือกแบตเตอรี่กระบอก 18650 ของผู้ผลิตผู้ผลิตต่าง ๆ สามตัว เพื่อวิจัยผลกระทบของอัตราการชาร์จ/การชาร์จต่ออัตราการเพิ่มอุณหภูมิและอัตราการผลิตความร้อนที่ 35 °Cการตรวจสอบอิทธิพลที่สําคัญของอัตราการปล่อย

โดยใช้แบตเตอรี่สแควร์ลิตিয়ামเหล็กฟอสเฟต 20 A∙h เป็นวัตถุการวิจัยเครื่องวัดความร้อนแบบ isothermal/adiabatic และเครื่องทดสอบการชาร์จ-การชาร์จถูกใช้เพื่อวิเคราะห์ผลของอัตราการชาร์จ-การชาร์จ.5C ~ 2C), อุณหภูมิแวดล้อม (-10 °C ~ 40 °C) และภาวะการชาร์จ (0 ~ 70%)สภาพการชาร์จน้อยขึ้น, และอุณหภูมิบริเวณที่ต่ํากว่านั้น อัตราการผลิตความร้อนของแบตเตอรี่และอัตราการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่สูงขึ้นสูงขึ้นของอุณหภูมิสถานะการชาร์จมีผลต่ออัตราการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเฉพาะในช่วงการปล่อยอากาศเท่านั้น ยิ่งอุณหภูมิเริ่มต้นสูงขึ้น ยิ่งอุณหภูมิเพิ่มต่ําลงนี้ให้การสนับสนุนข้อมูลสําหรับการเลือกสภาพการทํางานของแบตเตอรี่.

1.2 การคํานวณทางทฤษฎีเพื่อช่วยในการวิเคราะห์แบบทดลอง

วิธีการคํานวณทางทฤษฎีนี้ใช้หลักการของการผลิตความร้อน โดยการวัดปริมาตรสําคัญ เช่น พลังงานเกิน,และรวมมันกับสูตร, การผลิตความร้อนทั้งหมดของแบตเตอรี่ถูกประเมิน. ระหว่างการชาร์จ-การปล่อยแบบปกติ, ความร้อนจากปฏิกิริยาข้างและกระบวนการผสมสามารถถูกละเว้น.อัตราการผลิตความร้อนสามารถคํานวณโดยใช้แบบเบอร์นาร์ดี้ง่ายความต้องการหลักคือการกําหนดความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ (Rin) และสัมประสานเอ็นโทรพี (dU/dT) ความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ถูกส่งผลกระทบจากอุณหภูมิ สภาพการชาร์จและการแก่ตัวมีรูปแบบที่ชัดเจน แต่มีการแตกต่างเนื่องจากความแตกต่างในวัสดุแบตเตอรี่และกระบวนการผลิต

การเลือกแบตเตอรี่ทรงกระบอก 18650 สองชิ้น และการทดสอบความต้านทานของแบตเตอรี่เหล่านั้น ภายใต้ภาวะการชาร์จที่แตกต่างกัน โดยใช้วิธีสี่วิธีวิธีเส้นโค้งลักษณะ V-I ส่งผลที่สอดคล้องกับและสูงกว่าวิธีการแตกต่างความกระชับกําลังในการทํางานในวงจรเปิดในขณะเดียวกัน การเปลี่ยนแปลงเอ็นโทรพีถูกทดสอบโดยใช้วิธีทั้งสองอย่าง แสดงให้เห็นความเห็นที่เห็นได้ชัดรวมกับข้อมูลการเปลี่ยนแปลงความต้านทานและเอ็นโทรปี, ส่วนใหญ่ตรงกับผลการทดลอง และตรวจสอบความเป็นไปได้ของวิธีการคํานวณ

2การพัฒนาโมเดลความร้อนของแบตเตอรี่ลิทธิียมไอออน

ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ การจําลองแบบจําลองได้กลายเป็นเครื่องมือสําคัญในการศึกษาปัญหาความร้อนของแบตเตอรี่ลิตியம்ไอออนรูปแบบสามารถแบ่งออกเป็น รูปแบบมวลรวม และรูปแบบหนึ่งถึงสามมิติ; ตามกลไก, พวกเขาสามารถแบ่งเป็นแบบจําลองการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าเคมี-ความร้อน, แบบเชื่อมต่อทางไฟฟ้าความร้อน, และแบบทุจริตทางความร้อน.แต่ละรุ่นแก้ปัญหาความร้อนในกรณีที่แตกต่างกัน.

2.1 รูปแบบการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าเคมีและความร้อน

รูปแบบนี้ถูกสร้างขึ้นจากมุมมองของการผลิตความร้อนจากปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี และเหมาะสําหรับจําลองการกระจายอุณหภูมิภายใต้สภาพการทํางานของแบตเตอรี่ปกติปกติจะสมมุติว่าความหนาแน่นของกระแสกระแสเดียวกัน (ความแม่นยําที่น่าเชื่อถือสําหรับแบตเตอรี่ขนาดเล็ก, แต่มีความผิดพลาดสําหรับแบตเตอรี่ขนาดใหญ่) รูปแบบไฟฟ้าเคมีสองมิติลักษณ์คู่กับรูปแบบการถ่ายทอดความร้อนสามมิติการพิจารณาแหล่งความร้อน เช่นปฏิกิริยาทางเคมีไฟฟ้า, กระบวนการขั้วโลก และความสูญเสียของโอห์ม ส่งผลผลการจําลองสําหรับแบตเตอรี่ถุงฟอสเฟตเหล็กลิเดียม 10 A∙h ที่สอดคล้องกับผลการทดลองและผลการทดสอบอินฟราเรดการตรวจสอบความเป็นไปได้ของโมเดลนอกจากนี้ยังพบว่าอุณหภูมิแบตเตอรี่เกิน 50 °C ระหว่างการปล่อย 5 °C ทําให้จําเป็นต้องออกแบบมาตรการเย็น

รูปแบบการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าเคมีและความร้อนสามมิติหนึ่งมิติถูกตั้งขึ้นเพื่อศึกษาพฤติกรรมทางความร้อนของแบตเตอรี่ LiMn2O4มันพบว่าความร้อนที่กลับคืนไม่ได้เป็นเรื่องที่ไม่สําคัญกับอัตราการปล่อยที่ต่ําการลดความหนาของอิเล็กทรอนด์และขนาดอนุภาคของวัสดุที่ใช้งานสามารถลดอุณหภูมิแบตเตอรี่ได้ สําหรับแบตเตอรี่ทรงกระบอก 18650รูปแบบการผลิตความร้อนระดับพิกัดกระบอกถูกใช้ในการสํารวจลักษณะความร้อนที่อัตราการปล่อยที่แตกต่างกันผลการจําลองและผลการทดลองแสดงให้เห็นถึงความเห็นเดียวกันที่ดี ยืนยันว่าการทําความร้อน Joule เป็นหลักในอัตราการปล่อยไฟที่สูง และการทําความร้อนจากการเปลี่ยนแปลงเอ็นโทรปี เป็นหลักในอัตราการปล่อยไฟที่ต่ํา

2.2 รูปแบบการเชื่อมต่อไฟฟ้าร้อน

รูปแบบนี้รวมการกระจายความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าภายในของแบตเตอรี่เพื่อศึกษาการกระจายสนามอุณหภูมิและเครื่องเก็บไฟฟ้าปัจจุบันปัจจุบันรูปแบบส่วนใหญ่ใช้รูปแบบแบบสองมิติหรือสามมิติที่ไม่มีชั้น และยังมีช่องทางในการปรับปรุงความแม่นยํารูปแบบการเชื่อมต่อไฟฟ้าร้อนสองมิติถูกใช้ในการศึกษา LiMn2O4 และ Li[NiCoMn]O2 แบตเตอรี่พอลิมเมอร์การวิเคราะห์ผลของโครงสร้างอิเล็กทรอนด์และอัตราการปล่อยไฟ / อัตราการชาร์จต่อความสามารถ ความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าและอัตราการผลิตความร้อนผลการจําลองแสดงให้เห็นความสอดคล้องที่ดีกับข้อมูลการทดลอง, การสนับสนุนการปรับปรุงกลยุทธ์การเย็น

สําหรับแบตเตอรี่ LiMn2O4 / C 14.6 A∙h โมเดลการเชื่อมต่อไฟฟ้าร้อนถูกจัดตั้งเพื่อวิเคราะห์พฤติกรรมการปล่อยอุณหภูมิต่ํา โดยการปรับปรุงปริมาตรของโมเดลผลการจําลองในอุณหภูมิต่ํา (-20°C ~ 0°C) ได้ทําให้สอดคล้องกับผลการทดลองการจําลองการชาร์จ-การชาร์จพลังงานคงที่ถูกดําเนินการเพื่อหาการกระจายอุณหภูมิภายใต้ระดับพลังงานที่แตกต่างกัน เพื่อให้มาตรฐานสําหรับการจัดการความร้อนของแบตเตอรี่

2.3 รูปแบบการใช้อุณหภูมิผิดปกติ

รูปแบบการใช้อุณหภูมิถูกใช้ในการศึกษาความปลอดภัยทางอุณหภูมิของแบตเตอรี่ โดยเชื่อมโยงปฏิกิริยาภายในแบบ exothermic เพื่อจําลองการเกิดขึ้นและการพัฒนาของการหลบหนีทางอุณหภูมิภายใต้การใช้อุณหภูมิการตรวจสอบการทดสอบการทารุณและการจําลองวรรณกรรม, และปฏิกิริยา exothermic หลายตัวถูกเลือกเพื่อสร้างแบบจําลองความร้อนภายใต้สภาพการใช้งานที่ผิดปกติ เช่น กล่องร้อน, สายลัดสั้น, การชาร์จเกินและการเจาะเข็ม.การวิเคราะห์บทบาทของสารผูกฟลอเรนในการหลบหนีจากความร้อนและการมีอิทธิพลของพวกมันพบว่าค่อนข้างน้อย

การปรับปรุงรูปแบบการใช้อุณหภูมิแบบหนึ่งมิติ เป็นรูปแบบสามมิติ โดยพิจารณารูปร่าง ขนาด และการกระจายอุณหภูมิของวัสดุส่วนประกอบของแบตเตอรี่และการทดลองแบบเตาอบแสดงให้เห็นว่าแบตเตอรี่ขนาดเล็ก ๆ จะระบายความร้อนเร็วขึ้น และไม่ค่อยมีแนวโน้มที่จะ- รูปแบบจําลองจํานวนของการทดลองเจาะเล็บ, ผ่านสมการควบคุมไฟฟ้าเคมีและสมการการใช้อุณหภูมิทํานายความถูกต้องการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและการเริ่มต้นของความร้อน runaway ระหว่างกระบวนการเจาะเล็บ, สอดคล้องกับผลการทดลอง, ทําให้แก้ปัญหาของการทดลองเจาะเล็บที่ใช้เวลาและแพง

3สรุปและทัศนะ

แบตเตอรี่ลิทธิียมไอออน เนื่องจากการทํางานที่ดีเยี่ยมของพวกมัน ถูกใช้อย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ผู้บริโภค พลังงาน และการเก็บพลังงาน แต่ปัญหาความปลอดภัยทางอุณหภูมิขัดขวางการนํามาใช้อย่างแพร่หลายสาเหตุหลักของความร้อนที่หลบหนีคือความไม่สามารถที่จะ dissipate ความร้อนผิดปกติในเวลาที่ถูกต้อง, ส่งผลให้เกิดการสะสมความร้อนและการเพิ่มอุณหภูมิอย่างฉับพลัน ทั้งวิธีการทดลองและวิธีการจําลองแบบจําลองเป็นเครื่องมือหลักในการศึกษาปัญหาความร้อนแต่ละอันมีข้อดีและข้อเสียของมัน: วิธีการทดลองสามารถรับข้อมูลการผลิตความร้อนได้อย่างแม่นยํา ภายใต้สภาพแวดล้อมของโลกจริง แต่กระบวนการนี้ซับซ้อน ใช้เวลานานและแพงวิธีจําลองแบบจําลองง่ายและมีวงจรสั้นแต่มันมีข้อผิดพลาดบางอย่าง และอาจเบี่ยงเบนจากความจริง

การวิจัยในอนาคตควรนําแนวทางสองแนวทางนี้มารวมกันอย่างเป็นธรรมชาติ: การใช้ผลการจําลองเพื่อนําแนวทางการออกแบบการทดลอง, การสั้นระยะการทดลองและการลดงบประมาณและใช้ข้อมูลการทดลองเพื่อตรวจสอบและปรับปรุงแบบจําลองผ่านการทํางานร่วมกันนี้ เราสามารถดําเนินการลึกใน คุณสมบัติทางความร้อนของแบตเตอรี่ลิตியம்ไอออนมีประสิทธิภาพ, และการใช้แบตเตอรี่ลิตியம்ไอออนในขนาดใหญ่