邱健蓄电池基于超低温相变材料的锂离子电池冬季热电性能模拟
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邱健蓄电池 发布时间：2026-02-27 10:42:56 点击： 次
摘要
为解决电动汽车(EV)冬季冷启动时电池性能衰减与安全隐患问题，本研究通过数值模拟方法探究了利用过冷相变材料(SCPCM)可控活化释放潜热对锂离子电池进行预热时的热电耦合行为。在识别不同工况下放电电压与容量衰减行为后，系统研究了SCPCM组分、厚度、导热系数、熔点及环境温度对预热效果的影响。进而分析了预热后电池单体(预设293.15K)的放电性能，以及电池产热与SCPCM熔化的相互作用机制。结果表明，共晶相变材料(EPCM,熔点为314.55K的CHCOONa·3H3O、Na2·5H2O与去离子水（27.6:64.4:8 wt%）组成的9毫米厚度复合材料可将电池温度从2环境温度从278.15 K升至预设的293.15 K（启动温度）耗时126秒。该材料的热导率为0.6 W·m<sup>-1</sup>·K<sup>-1</sup>。3·K2被确认为提升电池性能的临界阈值。此外，尽管较低的SCPCM熔点（ₘₑₗₜ）会轻微延长预热时间，但会提高电池加热后的稳态温度。在4C放电倍率下，仅当SCPCM的0ₘₑₗₜ ≤304.55 K时才能完全熔化，此时可将电池温度维持在320.74 K以下，这证明低熔点SCPCM具有更优的热管理性能和热循环稳定性。本研究为利用SCPCM解决电动汽车冷启动问题提供了理论与科学依据。−1·K−1 is identified as the critical threshold for improving battery performance. Moreover, although a lower SCPCM melting point (Tₘₑₗₜ) slightly prolongs preheating time, it raises the steady-state temperature of the cell after heating. At a 4C discharge rate, only the SCPCM with Tₘₑₗₜ ≤304.55 K can fully melt, which maintains the battery below 320.74 K, demonstrating the better thermal management and thermal cycling using the low-melting-point SCPCMs. This study provides a theoretical and scientific basis for addressing EV cold-start challenges using SCPCMs.
引言
锂离子电池（LIBs）因其高能量密度与功率密度、长循环寿命及低自放电率等优势[1]，被广泛应用于电动汽车（EVs）和储能电站领域。然而LIBs的热性能与电性能具有显著的温度敏感性，其最佳工作温度范围通常介于293.15 K至323.15 K之间[2]。当工作温度降低时，LIBs的充放电性能会出现明显衰减[3]。低温环境会导致正极颗粒破裂，并使死锂在电极表面沉积[4]。同时由于电解液粘度增大，锂离子在电解液中的扩散速率显著降低，进而引发电芯内阻的急剧上升[5]。上述效应的共同作用会抑制电化学反应，最终造成输出电压与整体容量的衰减。长时间处于低温静止环境会导致电池的启动温度远低于最优值[6]。Liu等[7]的实验结果表明，在258.15K环境温度下循环9次后，锂离子电池的健康状态(SOH)衰减至58.3%，而在室温(298.15K)下循环150次后的SOH为68.7%。极低温条件下电解液的潜在冻结会进一步损害电池充电能力，最终导致电动汽车无法启动[8]。在低温放电过程中，锂枝晶可能刺穿隔膜引发内部短路[9]，这甚至会对电动汽车运行构成安全隐患。因此，需要采用适当的预热方法来缓解电池在低温条件下的性能衰减与安全风险。
外部预热法常被用于电池启动前的预加热处理[1][10][11][12]。Song等[13]采用强制空气对流方式对电池进行预热，提供了一种简单经济的加热方案。但研究结果表明该方法存在显著的加热效率局限，需耗时50分钟才能使电池温度从253.15 K升至298.15 K。电加热法[14]虽能实现电池的快速温升，但会引发明显的局部热梯度与锂沉积现象[15]，最终损害电池的长期循环性能。E等[16]采用加热膜耦合相变材料(PCM)对三元锂离子电池进行预热，并在达到293.15 K预设温度时启动电池工作。实验测得在253.15 K、263.15 K和273.15 K环境温度下的预热时长分别为1856 s、1432 s和1013 s。相变材料(PCMs)的加入有助于提升温度均匀性。然而传统相变材料缺乏本征预热功能，必须与其他热源配合使用[17]，而具有过冷特性的相变材料(SCPCMs)可在低于熔点的温度下保持液态[18]，并通过触发固化过程立即释放储存的潜热[19]，从而在电池预热方面展现出独特潜力。Shao等[20]测试了木糖醇/赤藓糖醇共晶混合物的稳定过冷特性，证实该过冷态可在室温下保持十余天不发生结晶。目前已有多种技术可引发过冷相变材料的固化过程，包括添加晶种、施加超声波[21]、电场[22][23]、局部冷却[24]以及机械振动[25]等方法。
目前，多项研究已实现利用SCPCMs（复合相变材料）对锂离子电池进行预热。Sun等人[26]提出了一种由五水硫代硫酸钠、三水乙酸钠和去离子水组成的共晶相变材料(EPCM)，其熔点为314.55K，稳定过冷度超过61K。当该EPCM触发结晶释放潜热并完成预热后，圆柱形动力电池组在253.15K环境温度下的放电容量提升了6.8%。Lu等人[27]制备了一种用于控制结晶的新型电极，实现了过冷六水氯化钙(CCH)溶液的快速潜热释放，从而提升了圆柱形锂离子电池在低温条件下的放电性能。Ling等[28]研究了一种低温电池加热策略，通过智能调控CaCl2的储热与放热过程。2·6H2O. 该SCPCM的瞬时结晶特性使得圆柱形电池能够以最高7.5 K·min的速率快速升温−1此外，放电容量和功率分别提升了9.87%和7.56%。He等人[29]通过数值模拟研究了三水合乙酸钠(SAT)和五水合硫代硫酸钠(STP)对方形LiFePO4电池的预热性能，结果表明电池的温度特性得到显著改善。
上述研究表明，SCPCMs（特别是水合盐类）在电池预热应用中展现出显著潜力。现有研究证实，SCPCMs（尤其是水合盐）在电池预热领域具有重要的应用前景。然而，当前研究仍存在若干关键局限：（1）多数研究仅局限于圆柱形电池构型，对方形锂离子电池（LIBs）的探究较为有限；（2）用于评估基于SCPCM预热过程中电化学-热耦合行为的电化学模型整合研究尚不完善；（3）针对SCPCM特性（如成分、厚度、导热系数及熔点等）的系统性参数研究明显不足，这阻碍了预热系统的优化进程。
考虑到已识别的局限性，本研究建立了多物理场耦合模型，将一维电化学模型与三维热传递模型相结合，用于方形LiNi0.3Mn0.3Co0.3为系统评估复合相变材料(SCPCM)在电池预热应用中的温度调控效果，本研究采用三维电化学-热耦合模型对O₂(NMC111)电池进行仿真分析。首先定量研究了SCPCM层的几何参数与热物理特性（包括材料组分、厚度、导热系数及熔点）对电池预热性能的影响；其次分析了不同环境温度下SCPCM的预热表现。最后定量评估了不同熔点SCPCM在多种电池放电倍率下的熔融行为。本研究开发的SCPCM电池预热方案可有效解决寒冷环境下性能衰减与安全隐患问题，为相关应用提供了重要的理论支撑与优化指导。
