储能热安全：从微观机理认识锂离子电池产热来源

  浩博电池网讯：

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  锂离子电池，作为储能设备和交通工具的核心动力源，其产热问题一直是科研人员和用户关注的焦点。那么，这些热量究竟从何而来？又如何影响电池的性能和安全呢？本文将走进锂离子电池产热的微观世界，从理论的角度深入分析产热的根源。

  在锂离子电池中，由于一系列可逆和不可逆的电化学反应产生热量，其热源可大致分为三种类型：可逆热Qr、极化热Qp和副反应热Qs。

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  可逆热

  可逆热Qr通常解释了电化学反应过程中活性材料的可逆熵变ΔS。一旦测得ΔS，即可根据下方公式计算Qr的量。

  其中I为外加电流，T为绝对温度，n为电化学反应中演化的电荷数，F为法拉第常数，E为电池平衡时的开路电压，∂E /∂T为熵变项。电化学过程是吸热还是放热取决于所涉及的材料。例如，石墨/锰酸锂和石墨/ LiFePO4体系的Qr在放电过程中为负值(冷却效应)，充电过程中为正值(加热效应)，而石墨/ LCO体系则相反。根据公式，Qr与I ( C – rate )和∂E有关。

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  极化热

  极化热Qp是电池系统中不可逆热的一种。当对电池施加电流( I )时，电池工作电势( Uc )与热力学平衡电势( Ue )之间总是存在偏差，代表电池的电压极化。充放电过程中额外的能量消耗激发了热量的产生，单位时间内产生的Qp可以用下面的方程来描述：

  电池电压极化的原因包括欧姆极化、活化极化和浓差极化。

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  副反应热

  Qs表示电池中非期望的放热化学反应产生的另一种形式的不可逆热，包括SEI膜和正极-电解质界面( CEI )的分解，电解质和电极材料之间的反应。一般来说，这些副反应会在临界温度下被触发，随着副反应的进行，其产生的热量不断积累，提高电池温度，继续引发热链式反应。

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  在所有的热源中，可逆热Qr可以是吸热或放热，取决于电化学反应的熵系数，而不可逆热Qp和Qs是放热。可逆和不可逆产热速率受多种因素影响，包括充电、放电速率、环境温度、荷电状态( SOC )和电极微观结构等。通常，在低充放电倍率下可逆热占主导地位，而在高充放电倍率下欧姆热占主导地位。如果电池系统中的反应的放热速率持续高于系统散热速率，热量就会在电池内不断积累，电池内部副反应发生，温度不断上升，直至电池发生热失控。

【责任编辑：孟瑾】