相变材料冷却技术在18650钛酸锂电池热管理中的应用研究

伴随着社会经济的快速发展,传统能源的严重消耗引起世界各国的重视。交通行业作为传统能源的消耗大户,在环保节能方面具有巨大潜力。因此,以动力电池作为动力源的电动汽车应用而生。然而,动力电池在使用过程中,容易出现温度过高或者过充等情况,这将造成电池性能严重衰退,甚至出现热失效的安全隐患。本文以圆柱形18650钛酸锂单体电池作为研究对象,通过过充实验研究高温对电池性能的影响,再采用复合相变材料(PCM)对电池进行热管理,改善和提高电池的综合性能。实验结果如下：(1)研究大功率过充至电池最高温达到87℃后,电池性能与温度的关系。通过充放电测试,过充后的18650钛酸锂电池的电化学性能出现严重衰退现象。电池内阻增大,导致比容量明显下降,电流密度越高,下降程度越明显,电池5C放电时基本没有储电能力。过充电池的热效应明显变差,升温速率也明显高于正常电池。高温环境下,3C放电时过充电池表面最高温度和温升分别达到了57.46℃和19.11℃,超过了电池合理的工作温度和正常温升范围。过充电池性能严重衰退可以归结为两个原因：1)过充造成电解液氧化分解后使得电池内阻增大；2)过充时的热失效使得电极材料的纳米形貌和微晶结构均受到一定程度的破坏,造成电池储电能力的二次下降。(2)根据石蜡的相变潜热和相变温度范围等特点,按照石蜡、石墨和活性炭四种不同比例(20：5：0、20：4：1、20：3：2、20：2：3)制备成石蜡/石墨/活性炭复合相变材料板。DSC以及导热系数的测试结果表明,活性炭质量分数为4%时,复合相变材料板的相变潜热为155.2J·g-1,比石蜡/石墨复合相变材料提高了13.20%,导热系数为5.591W.m-1.K-1,成本较石蜡/石墨复合相变材料降低了8.7%。(3)将石蜡/石墨/活性炭以20：4：1的质量比进行复合,压制成环形用于18650钛酸锂电池热管理。通过分析PCM冷却和空气自然冷却的钛酸锂电池的循环测试结果可知,自然空气冷却电池电化学性能衰退比PCM冷却电池明显,随着循环次数的增加,这种现象更显著。经过30个循环后,PCM冷却的电池最高温度仍然低于37℃,温度上升速率小；而空气冷却的电池最高温已经达到了49.38℃,并且温度上升趋势明显。分析SEM测试结果可知,PCM冷却电池电极材料纳米形貌和微晶结构均保持良好,并且明显好于空气冷却的电池。