锂亚硫酰氯电池热控制研究现状

2020-08-20 10:05:19 深圳市创新易电子科技有限公司

1、引言


锂是金属中最轻和电势最负的一种元素,锂亚硫酰氯(Li/SOCl2)电池是一种以锂为负极,碳作正极,无水四氯铝酸锂的亚硫酰氯(SOCl2)溶液作电解液的锂离子电池。Li/SOCl2电池具有比能量高、比功率大、放电电压平稳、储存寿命长等特性,在航天器、水中兵器、导航设备等军事和民用工业中都有广泛的应用。不同电池的比能量与比功率关系如图1所示[1][2]。从图中可以看出,Li/SOCl2电池是比能量和比功率最高的电池。大型Li/SOCl2电池重要用于不依靠工业电源的军事用途,作为一种无须充电的备用电源,如导弹深井发射时的地面备用电源等,一次锂离子电池在军事装备中的特殊功能,是其他电池无法替代的[3][4]。


Li/SOCl2电池存在的重要问题是电压滞后与安全问题,其中安全问题是最重要的问题。锂离子电池在使用过程中发生化学反应,出现热量不能及时有效地散发,就会在电池内部积累热量,引起电池的升温,进一步促使反应的加剧,形成产热与温升的正反馈,当热量积累到一定程度的时候,就有鼓胀、泄漏、着火、爆炸等危险,这种现象被称之为热失控。因此,分析电池的热特性,并有针对性地使用热控措施,迅速导出电池放出的热量,减少电池内部热量积累,防止热失控,保证电池的安全,具有十分重要的意义。


2、Li/SOCl2电池发热机理研究


有关Li/SOCl2电池的发热机理的研究重要侧重于深入了解电池内部化学机理,建立电池热模型,目的是减少电池放电发热量和热流密度。


分别从传热学、电学和化学角度分析,电池热模型有三种不同的形式。


从传热学角度分析,假设单体电池温度内部均匀,应用傅立叶导热定律,可以得出电池热平衡控制方程为[5](1)


上式中:为电池密度(kg/m3),cp为定压比热容(J/(kgqK)-1),T为电池温度(K),t为时间(s),为导热系数(W/(mqK)-1),为单位体积热生成率(W/m3)。


从电学角度分析,电池发热功率由下式确定[6](2)


式中:QT为发热功率(W),I为放电电流(A),Er为开路电压(V),E1为负载电压(V),其中IE1为电池可用功率(W),从工程应用的角度分析,电池热控制的重要目的是减少发热功率,而并非减少可用功率。


从化学角度分析,电池发热功率由下式确定[7]:(3)


式中:Qp为极化热(W),来源于正负极的极化和电解液阻值升高,是电池优化设计能够降低的重要热量;QS是由熵变引起的热量(W),电池电极的熵变对电池的电化学和热行为有显著影响,GuW.B.建立了热和电化学耦合的模型,对热―电化学交互用途进行了分析,认为在热滥用的情况下,电池温度逐渐升高,电池正极发生热分解,最终导致热失控[8];


QA为化学反应热(W),重要源于金属锂的腐蚀,还包括电池化学副反应。Li/SOCl2电池反应方程式见式(4),此反应是放热反应,除此反应外,Li/SOCl2电池内部其他反应也是剧烈的放热反应。(4)


由于Li/SOCl2电池寿命可长达10年,电池的自放电反应对电池性能影响很大,所以研究长时间储备后进行放电的Li/SOCl2电池时,QA要考虑自放电产热。SpotnitzR.M.等建立了Li/SOCl2电池自放电特性的电化学模型,用于预测电池寿命,提高安全系数[9]。


电池的发热是与电化学联系在一起的。Gomadamp.M.建立的锂离子电池的一维热模型与电化学相关,用于优化螺旋卷绕的锂离子电池[10]。SurampudiS.等在JpL(美国喷气推进实验室)的报告中分析了Li/SOCl2电池的安全因素,认为热机制和化学机制的共同用途使电池发生泄漏或爆炸[2]。


通过以上分析可以发现,三种热模型并不是孤立的,建立电池热模型要综合分析电池热―电―化学的综合用途。


3、电池热物理参数测量


测量电池的热物理参数对电池的热性能分析是十分必要的。将准确的热物理参数用于电池热物理模型,进行数值模拟,可以预测电池热特性,设计和优化电池结构设计和热控制方式。


电池热物理参数包括电池产热量、热容量、导热系数和温度分布等。对电池热性能进行分析测试的方法有差示扫描量热法、加速量热法、红外热成像等,通过多种分析测试方法可以研究电池的热行为,从而揭示电池安全性的本质。


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