锂离子电池全温域应用的性能、机理及策略简析

电池已广泛应用于交通、储能及电子消费产品等领域，是实现“双碳”目标的必要一环。然而，当电池处于适宜的工作温度范围以外时，其安全、寿命及性能均受到不同程度的影响。

目前，锂离子电池在全温域中材料-单体-系统层级的性能、机理和策略尚未被系统性研究，制约了其全温域应用与推广。本文跨尺度和多层级设计方法的提出有助于全面改善现有问题。

现有锂离子电池存在低温环境下“趴窝”、续航“腰斩”；高温环境下 “热失控”、“热蔓延”、“燃烧”；快充易“过热”、“析锂”等系列问题，严重阻碍了电池技术的进一步应用与推广（图2）。

图2 全温域下锂离子电池性能、机理及策略

针对锂离子电池在低温环境下离子扩散速度减缓、电导率下降、反应速率变慢导致的性能衰退问题，可通过如下的跨尺度策略改善锂离子电池低温性能：材料层级的粒径控制、颗粒包覆、颗粒氧化、溶剂选择及电极结构设计；单体层级的串联加热元件和自加热电池；系统层级的外部加热、交流激励加热及混合加热等（图3）。然而，受限于成本、动力性能和基础设施等多方面因素，锂离子电池在低温高寒环境下的应用仍存在较大挑战。

图3 提升锂离子电池低温性能跨尺度多层级设计方法

针对锂离子电池在常温环境下充放电反应产热、焦耳热等所导致的温升问题，已有研究提出了基于风冷、液冷、相变材料和热管等系统热管理方法（图4）。经过多年的工程应用实践，结合理论分析、模型计算和实验，综合考虑电池系统产热功率、环境换热、体积、质量、成本等因素的热管理系统已十分成熟。

图4 温度-电流耦合机制及电池热管理系统设计

针对由热、电、机械等滥用方式触发的锂离子电池急剧温升导致的高温安全问题，已有大量实验研究了不同触发方式下的热失控/蔓延特征，并从材料层级的释热反应角度揭示了主要反应随温度触发的反应时序。

在材料层级，通过界面构筑、耐高温隔膜、电解液添加剂/阻燃剂等手段，有助于提升电池本征安全性；在单体层级，利用长薄型单体设计、自毁电池及泄压阀设计可一定程度减轻单体热失控对系统的危害；在系统层级，本文从**“燃烧三要素”的角度分析了电池系统火灾中“可燃物”、“氧气”、“高温”**的来源，并对各项来源所带来的问题提出了针对性的解决措施，以期延缓甚至阻断系统层面的热失控蔓延（图5）。

图5 缓解锂离子电池热失控/蔓延跨尺度多层级设计方法

总结与展望

全温域锂离子电池的材料改性、单体设计及系统级热管理-安全设计有助于提升电池的性能、寿命与安全。

随着高比能电池单体、系统的发展，对不同类型电池开展关键热特性参量演变机制的研究尤为重要，有助于下一代电池管理系统高效、精准地将电池温度控制在适宜范围内。此外，高焓值灭火剂，高换热效率热管理系统及基于智能传感、云计算和人工智能的电池管理算法等将为未来长寿命-高性能-高安全电池系统的全温域应用保驾护航。






审核编辑：刘清