鉅大LARGE | 點擊量：1071次 | 2021年04月29日
鋰亞硫酰氯鋰電池熱控制研究現狀
1引言
鋰是金屬中最輕和電勢最負的一種元素，鋰亞硫酰氯(Li/SOCl2)電池是一種以鋰為負極，碳作正極，無水四氯鋁酸鋰的亞硫酰氯(SOCl2)溶液作電解液的鋰離子電池。Li/SOCl2電池具有比能量高、比功率大、放電電壓平穩、儲存壽命長等特性，在航天器、水中特種、導航設備等特種和民用工業中都有廣泛的應用。不同電池的比能量與比功率關系如圖1所示[1][2]。從圖中可以看出，Li/SOCl2電池是比能量和比功率最高的電池。大型Li/SOCl2電池重要用于不依靠工業電源的特種用途，作為一種無須充電的備用電源，如特種深井發射時的地面備用電源等，一次鋰離子電池在特種裝備中的特殊功能，是其他電池無法替代的[3][4]。
Li/SOCl2電池存在的重要問題是電壓滯后與安全問題，其中安全問題是最重要的問題。鋰離子電池在使用過程中發生化學反應，出現熱量不能及時有效地散發，就會在電池內部積累熱量，引起電池的升溫，進一步促使反應的加劇，形成產熱與溫升的正反饋，當熱量積累到一定程度的時候，就有鼓脹、泄漏、著火、爆炸等危險，這種現象被稱之為熱失控。因此，分析電池的熱特性，并有針對性地使用熱控措施，迅速導出電池放出的熱量，減少電池內部熱量積累，防止熱失控，保證電池的安全，具有十分重要的意義。
2Li/SOCl2電池發熱機理研究
有關Li/SOCl2電池的發熱機理的研究重要側重于深入了解電池內部化學機理，建立電池熱模型，目的是減少電池放電發熱量和熱流密度。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
分別從傳熱學、電學和化學角度分析，電池熱模型有三種不同的形式。
從傳熱學角度分析，假設單體電池溫度內部均勻，應用傅立葉導熱定律，可以得出電池熱平衡控制方程為[5](1)
上式中：為電池密度(kg/m3)，cp為定壓比熱容(J/(kgqK)-1)，T為電池溫度(K)，t為時間(s)，為導熱系數(W/(mqK)-1)，為單位體積熱生成率(W/m3)。
從電學角度分析，電池發熱功率由下式確定[6](2)
式中：QT為發熱功率(W)，I為放電電流(A)，Er為開路電壓(V)，E1為負載電壓(V)，其中IE1為電池可用功率(W)，從工程應用的角度分析，電池熱控制的重要目的是減少發熱功率，而并非減少可用功率。
從化學角度分析，電池發熱功率由下式確定[7]：(3)
式中：Qp為極化熱(W)，來源于正負極的極化和電解液阻值升高，是電池優化設計能夠降低的重要熱量；QS是由熵變引起的熱量(W)，電池電極的熵變對電池的電化學和熱行為有顯著影響，GuW.B.建立了熱和電化學耦合的模型，對熱―電化學交互用途進行了分析，認為在熱濫用的情況下，電池溫度逐漸升高，電池正極發生熱分解，最終導致熱失控[8]；
QA為化學反應熱(W)，重要源于金屬鋰的腐蝕，還包括電池化學副反應。Li/SOCl2電池反應方程式見式(4)，此反應是放熱反應，除此反應外，Li/SOCl2電池內部其他反應也是劇烈的放熱反應。(4)
由于Li/SOCl2電池壽命可長達10年，電池的自放電反應對電池性能影響很大，所以研究長時間儲備后進行放電的Li/SOCl2電池時，QA要考慮自放電產熱。SpotnitzR.M.等建立了Li/SOCl2電池自放電特性的電化學模型，用于預測電池壽命，提高安全系數[9]。
電池的發熱是與電化學聯系在一起的。Gomadamp.M.建立的鋰離子電池的一維熱模型與電化學相關，用于優化螺旋卷繞的鋰離子電池[10]。SurampudiS.等在JpL(美國噴氣推進實驗室)的報告中分析了Li/SOCl2電池的安全因素，認為熱機制和化學機制的共同用途使電池發生泄漏或爆炸[2]。
通過以上分析可以發現，三種熱模型并不是孤立的，建立電池熱模型要綜合分析電池熱―電―化學的綜合用途。
3電池熱物理參數測量
測量電池的熱物理參數對電池的熱性能分析是十分必要的。將準確的熱物理參數用于電池熱物理模型，進行數值模擬，可以預測電池熱特性，設計和優化電池結構設計和熱控制方式。
電池熱物理參數包括電池產熱量、熱容量、導熱系數和溫度分布等。對電池熱性能進行分析測試的方法有差示掃描量熱法、加速量熱法、紅外熱成像等，通過多種分析測試方法可以研究電池的熱行為，從而揭示電池安全性的本質。
