基于动力电池微观热电化学特性与宏观产热行为关联性的相变材料电池热管理研究

In this project, with the aim of enhancing the thermal safety performance of the power batteries in practical loading application, we will investigate the relevance between the electrochemical process and micro thermo-electrochemistry properties in power lithium-ion batteries. Coupling the experimental/simulative study with chemical thermodynamics/kinetics and engineering thermodynamics/kinetics, the relationship between the micro thermo-electrochemistry properties and macro heat generation rule will be illustrated, and thus the 3D heat generation and internal heat transfer model of the power lithium-ion batteries will be established. On this basis, the dependence of the thermal safety performance of the power lithium-ion batteries on the thermo-electrochemistry properties of the electrode materials and the phase change materials (PCM)-based battery thermal management will be analyzed, and eventually the precise construction of the PCM-based battery thermal management system will be realized. In conclusion, this project will greatly develop the thermal safety technology of the power batteries, demonstrating important theoretic significance and application value.

本项目以提高动力电池组实际装车应用中的热安全性为导向，系统研究主流动力锂离子电池的电化学进程-微观产热行为关联性。通过实验与模拟耦合的手段，结合化学热力学/动力学、工程热力学/动力学的相关知识，构筑微观热电化学特性与宏观产热规律的桥梁，从而建立动力锂离子电池模块三维产热与内部传热模型。在此基础上，系统分析动力电池热安全性对电极材料热电化学特性与相变材料冷却系统的依赖性，实现满足各种不同需求的相变材料电池热管理系统的精确定制与匹配，最终建立一套系统的相变材料热管理系统研究方法。本项目将有力地促进动力电池组热安全技术的进步，具有重要的理论意义和应用价值。

研究单体电池电极材料的微观热电化学特性与电池模组宏观产热规律的关联性，并以此为基础设计与之匹配的电池热管理系统，是从外部解决动力电池模组的热安全问题的唯一途径。而目前的工作大多集中在单一的产热行为或电化学性能研究，微观热电化学与宏观产热/电化学行为的关联性不明晰，无法形成电池热管理系统的设计依据。针对这些问题，本项目首先提出了温度场叠加法研究锂离子电池的温度响应情况及产热规律，并结合电化学性能测试，揭示了“电极-电芯”在机械滥用、电滥用和热滥用等情况下的热-电化学特性，进而分析电池（模组）电化学性能衰减与宏观产热行为的关联性，提出容量/功率衰退及热安全问题触发的根源在于电极材料载流子传输阻抗及不可逆产热非同步增大引起的反应可逆性破坏。以此为基础，研发一系列复合相变材料（Phase change temperature，PCM），调控其结构以优化热物性能、机械性能、电绝缘性及热稳定性以匹配电池热管理应用需求。进而，通过模块结构设计，提高PCM热管理系统的二次散热性能及自身安全性，并集成预热功能，实现了高可靠性PCM热管理系统的精确定制。.同时，基于电池（模组）的热-电化学关联性分析，我们还开展了液体冷却技术研究。以模拟仿真耦合实验测试的方法，通过精确调控液冷组件的宏观结构、结合方式及内部流道，提高模组控温性能，简化结构，降低能耗及制造成本。.在本项目的资助下，我们取得了较好成果：在Appl. Energ.、Energ. Convers. Manage.、Chem. Eng. J.、J. Power Sources等期刊发表论文35篇，其中影响因子大于 10 的论文8篇；授权中国发明专利 5 件；培养了12名研究生。超过预期目标。