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鋰離子電池，作為儲能設(shè)備和交通工具的核心動力源，其產(chǎn)熱問題一直是科研人員和用戶關(guān)注的焦點。那么，這些熱量究竟從何而來？又如何影響電池的性能和安全呢？本文將走進鋰離子電池產(chǎn)熱的微觀世界，從理論的角度深入分析產(chǎn)熱的根源。
在鋰離子電池中，由于一系列可逆和不可逆的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生熱量，其熱源可大致分為三種類型：可逆熱Qr、極化熱Qp和副反應(yīng)熱Qs。
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可逆熱
可逆熱Qr通常解釋了電化學(xué)反應(yīng)過程中活性材料的可逆熵變ΔS。一旦測得ΔS，即可根據(jù)下方公式計算Qr的量。
其中I為外加電流，T為絕對溫度，n為電化學(xué)反應(yīng)中演化的電荷數(shù)，F(xiàn)為法拉第常數(shù)，E為電池平衡時的開路電壓，?E /?T為熵變項。電化學(xué)過程是吸熱還是放熱取決于所涉及的材料。例如，石墨/錳酸鋰和石墨/ LiFePO4體系的Qr在放電過程中為負值(冷卻效應(yīng))，充電過程中為正值(加熱效應(yīng))，而石墨/ LCO體系則相反。根據(jù)公式，Qr與I ( C – rate )和?E有關(guān)。
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極化熱
極化熱Qp是電池系統(tǒng)中不可逆熱的一種。當對電池施加電流( I )時，電池工作電勢( Uc )與熱力學(xué)平衡電勢( Ue )之間總是存在偏差，代表電池的電壓極化。充放電過程中額外的能量消耗激發(fā)了熱量的產(chǎn)生，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的Qp可以用下面的方程來描述：
電池電壓極化的原因包括歐姆極化、活化極化和濃差極化。
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副反應(yīng)熱
Qs表示電池中非期望的放熱化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的另一種形式的不可逆熱，包括SEI膜和正極-電解質(zhì)界面( CEI )的分解，電解質(zhì)和電極材料之間的反應(yīng)。一般來說，這些副反應(yīng)會在臨界溫度下被觸發(fā)，隨著副反應(yīng)的進行，其產(chǎn)生的熱量不斷積累，提高電池溫度，繼續(xù)引發(fā)熱鏈式反應(yīng)。
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在所有的熱源中，可逆熱Qr可以是吸熱或放熱，取決于電化學(xué)反應(yīng)的熵系數(shù)，而不可逆熱Qp和Qs是放熱。可逆和不可逆產(chǎn)熱速率受多種因素影響，包括充電、放電速率、環(huán)境溫度、荷電狀態(tài)( SOC )和電極微觀結(jié)構(gòu)等。通常，在低充放電倍率下可逆熱占主導(dǎo)地位，而在高充放電倍率下歐姆熱占主導(dǎo)地位。如果電池系統(tǒng)中的反應(yīng)的放熱速率持續(xù)高于系統(tǒng)散熱速率，熱量就會在電池內(nèi)不斷積累，電池內(nèi)部副反應(yīng)發(fā)生，溫度不斷上升，直至電池發(fā)生熱失控。
