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低温循环老化锂离子电池热失控特性研究
发布时间:
2025-10-22
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▍摘 要
探明低温循环老化后的锂离子电池热失控特性，为后期探究其相关热失控机理做基础研究。实验在恒温箱中不同温度下对锂电池进行循环老化处理，再将得到的老化锂电池进行加热热失控测试。最终测得了热失控起始时间、起始温度以及最高温度，还有热失控过程中的电压变化和前后质量损失百分比。经对比不同实验条件下的锂离子电池热失控特性发现，不同低温环境下循环老化程度相同的电池，环境温度越低，热失控起始时间越晚，热失控起始温度越高，热失控最高温度也越高，但与常温下相同老化程度的电池相比，热失控时间普遍较早，热失控起始温度和最高温度普遍较低。本文实验分析了不同荷电状态的电池热失控特性，发现载荷量越低热失控起始时间越晚、热失控起始温度越高、热失控的最高温度越低。研究结果有助于锂离子电池在低温下应用前景的发展及安全性能的提高。
随着时代的进步人们开始向可再生能源的使用进展，减少对化石能源等不可再生能源的使用，清洁、高效、经济的储存能源成为目前的迫切需要。现如今以锂离子电池为代表的储能系统，具有比功率高、能量密度大、寿命长、自放电率低、储存时间长、无污染和快速充电等特点[1]，可以很好的满足能源储存与使用的要求。近些年来，新能源汽车以及各类电子产品的革命发展，充放电性能更为强大的小型锂电池彻底改变了能源消费市场。因为不同地域的原因，锂离子电池的发展也受到影响，在气温偏低的地区锂离子电池更容易在循环的过程中受温度影响造成老化，容量下降、内阻增加等锂离子电池性能的衰退，导致锂离子电池的稳定性变差。
在长江以北地区，冬季气温常常低于冰点温度，特别是在东北三省地区冬季气温更低，能够达到-20℃及更低温度，环境对于锂电池的充电、放电等性能有极大的影响。
JAGUEMONT[2]全面综述了锂离子电池在低温环境下循环的状态，阐述了电动汽车（EV）和混合动力电动汽车（HEV）在环境寒冷的国家发展所面临的困境，锂离子电池在低温环境中受影响较重，特别是锂离子电池老化的容量和功率衰减的问题，并详细介绍了相应的热策略。GALUSHKIN[3]具体分析了锂离子电池在热失控的不同阶段，锂离子电池内部材料的化学反应，影响电池老化过程中的因素可能有电池充放电模式、温度、电池设计、电池化学反应等。其中一个最重要的老化机制被认为是金属锂在阳极上沉积的过程，温度越低，锂沉积就越越明显，并通过在一定低温环境下进行循环充放电来验证了这一点。
王春晓[4]为模拟飞机高空飞行时锂电池需经受低温环境影响，测试了不同环境温度、不同充放电倍率下锂离子电池内部的应变特性变化。李宁[5]在通过实验模拟仿真发现锂电池随着SOH的升高，触发热失控所需的时间也会随之缩短，SOC与锂电池的自产热温度和热失控 触发温度成反比关系而与最高温度成正比关系，且SOC越高，触发热失控所需的时间也就越短。赵路遥[6]也同样发现老化程度越高，燃爆阶段发生的时刻越早，且锂电池老化程度对热失控时间的影响程度大于电池SOC的影响。张鹏[7]在通过低温冷却抑制锂离子电池热失控研究中发现，温度越低，锂电池越难发生热失控现象。马瑞骏[8]等模拟探究了在南极超低温环境下如何提高磷酸铁锂电池的电池容量，还模拟了测量了在常温、-10℃、-20℃、-30℃下恒流放电磷酸铁锂电池的放电容量，发现在低温环境下电池的极化效应会增大，参加反应的活性物质会减少，适当降低充电电流大小可以提高电池的容量。
这些研究结果的重要性和迫切性在于，随着新能源的发展，锂电池的应用范围不断扩大，热失控问题也变得越来越突出。因此，深入研究锂电池热失控的机理，寻找有效的解决方案势在必行。我们的研究结果为解决低温老化的锂电池热失控问题提供了重要的参考依据，并且为后续的研究和应用提供了新的思路和方法。
文章来源：船电技术网
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