鋰離子電池在充放電的過程中會產生一定的熱量，特別是在大電流充放電的過程中會在鋰離子電池內部產生大量的熱量，但是由于鋰離子電池結構特點在不同的方向上熱導率存在顯著的差異，在平行于極片的方向上的熱導率要顯著高于垂直于極片方向的熱導率，因此不同的散熱方式不僅在效率上存在顯著的區別，而且不適當的散熱方式還會在鋰離子電池內部產生嚴重的溫度梯度，影響電池內部電流的分布，進而導致電池內部衰降的不一致，嚴重影響鋰離子電池的使用壽命。
近日，英國帝國理工大學的Yan Zhao（第一作者）和Teng Zhang（通訊作者）、Gregory J. Offer（通訊作者）等通過建立二維模型的方式對鋰離子電池“表面散熱”和“極耳散熱”兩種散熱方式的效果和對于鋰離子電池壽命的影響進行了研究，并對于如何優化“極耳散熱”提出了建議。
首先作者在MATLAB R2017中建立了一個二維模型（如下圖所示），該模型模擬了電池在一個橫切面（長×厚）的溫度分布情況。
為了驗證模型的有效性，作者采用了三種結構的軟包電池對實驗結果進行驗證，三種電池的正極材料均為NCM622材料，負極均為石墨材料，電池容量為16Ah，尺寸為117mm×101mm×11.5mm，其正極、負極和隔膜的結構和尺寸完全一致，僅極耳結構和位置不同（如下圖所示），三種電池的極耳結構詳細信息如下表所示。
實驗中用到的電池內部結構的基本參數如下表所示
下圖為實驗中測量的電池中間位置表面、電池極耳和冷卻池的溫度變化曲線，從下圖a（負極極耳冷卻）中能夠看到相比于窄極耳的C30電池，寬極耳設計的C70電池在中心位置表面溫度低2.3℃，在負極極耳位置低1.5℃，從下圖b（正極極耳冷卻）能夠看到寬極耳設計的C70電池在冷卻效果上仍然具有優勢，在中心位置C70電池的溫度低2℃，極耳位置低0.7℃，表明寬極耳設計能夠有效的減少電池的熱阻，同時相比于正極極耳散熱，負極極耳冷卻熱阻較小，也能夠提升散熱效果。
為了驗證不同的散熱方式對鋰離子電池表面溫度的影響，作者對S30電池采用表面冷卻的方式進行散熱，然后對于S30、C30和C70三個電池進行極耳散熱，所有電池首先以1C進行充電，然后以5C倍率進行放電，接著進行2C充電，在這一過程中電池表面溫度變化的如下圖所示。
從下圖中能夠看到采用表面散熱的S30電池在整個過程中電池表面的溫度最低，在放電結束時的最高溫度為33.3℃，采用極耳散熱的S30和C30電池溫度最高，在放電結束時電池溫度分別達到了45.5℃和44.5℃，而采用寬極耳設計的C70電池溫度出現了明顯的降低，放電結束時的最高溫度比窄極耳設計的S30和C30電池低了6℃，表明寬極耳設計能夠有效的提升散熱效果。
從上面的實驗數據可以看到盡管寬極耳設計能夠有效的提升極耳散熱的效果，但是相比于表面散熱其最高溫度仍然要高7℃，為了進一步優化極耳散熱效果，作者采用二維模型對電池進行了模擬仿真。下圖為針對C70電池進行的模擬仿真結果，從下圖c能夠看到仿真得到的電池溫度變化曲線與電池實際的溫度變化曲線之間高度一致，這表明該模型能夠很好的模擬鋰離子電池在實際工作中的溫度變化情況。
下圖為采用模型模擬的三種電池分別采用表面散熱、極耳散熱方式進行熱管理時電池的溫度變化曲線，對于采用表面散熱的S30電池，模型得到的溫度與實際的溫度在S3位置最大誤差為1.5℃，對于采用極耳散熱的C30電池在S1和S3位置的最大誤差分別為-1.5℃和1.9℃，對于采用極耳散熱的S30和C70電池模型仿真結果與實際結果之間相差不到1℃，表明該模型能夠提供可接受精度的溫度預測。
下圖為通過模型得到的采用表面散熱方式的S30電池和采用極耳散熱方式的C70電池內部的溫度變化、電流分布變化和局部SoC變化，從下圖a我們能夠看到由于S30電池通過電池頂部表面散熱的方式對電池進行散熱，因此能夠看到電池內部出現了明顯的溫度梯度，相比之下采用極耳散熱方式的C70電池溫度就要均勻的多。
由于鋰離子電池的動力學特性與電池的溫度密切相關，因此由于溫度梯度的存在，我們能夠觀察到S30電池內部也出現了顯著的電流分布不均的現象，而相比之下C70電池的溫度分布則要均勻的多。同時由于電流分布不均的存在最終也導致了S30電池內部局部SoC的不均勻，在靠近冷卻面的位置由于電流較小，因此最終的SoC要明顯的高于其他位置。
從上面的分析能夠看到極耳散熱能夠有效的提升散熱過程中電池內部溫度、電流和SoC的均勻性，但是受限于極耳散熱較小的面積，因此絕對散熱量上仍然要比表面散熱小，因此作者進一步對極耳形狀對于極耳散熱的效果進行了研究和分析。
作者以散熱效果較好的C70電池作為基礎，對極耳的結構進行了優化設計，下圖b展示了極耳寬度對于電池在放電過程中的平均溫度、最高溫度和最低溫度的影響，從圖中能夠看到電池極耳寬度從10mm提高到90mm，放電結束時電池的平均溫度從44.5℃下降到了39.5℃，電池在長度方向上的最大溫差從1℃增加到了2.4℃，由于極耳重量的增加，電池的重量能量密度從210Wh/kg降低到了207Wh/kg。
從下圖c可以看到當極耳的厚度從0.2mm增加到1mm，電池在放電結束后的平均溫度從40.4℃降低到了34.4℃，同時電池內部在長度方向上的溫度梯度也從2℃增加到了3.7℃，由于極耳重量的增加，電池的重量能量密度從210Wh/kg下降到了197Wh/kg。
下圖d則展示集流體厚度變化對于電池散熱效果的影響，從圖中能夠看到增加集流體厚度對于提升電池散熱效果的影響比較小，集流體厚度增加90%，電池在放電結束時的平均溫度僅下降0.25℃，長度方向上的溫度梯度從2℃下降到1.5℃，但是由于集流體重量升高電池的重量能量密度從210Wh/kg下降到了177Wh/kg，可以說通過提高集流體的厚度提升電池散熱效果的方法效率很低。
Yan Zhao的工作表明極耳散熱的瓶頸主要還是在極耳的截面積，無論是提升極耳的寬度和厚度都能夠有效的改善電池的散熱效果，特別將厚度提高到1mm后，極耳散熱的效果能夠能夠與表面散熱接近，同時極耳散熱還能夠有效的減少電池內部的溫度梯度，從而提升電池內部電流、SoC的均勻性，從而達到提升電池循環壽命的目的。
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How to Cool Lithium Ion Batteries: Optimising Cell Design using a Thermally Coupled Model, Journal of The Electrochemical Society, 166 (13) A2849-A2859 (2019), Yan Zhao, Laura Bravo Diaz, Yatish Patel, Teng Zhang and Gregory J. Offer
文/憑欄眺
