引言

作为动力来源的锂离子电池，其性能和安全性直接关系到整车的品质和续航里程。分析了影响电池充放电性能的主要因素，指出了电池在各种条件下的充放电性能和寿命。

锂电池在动力电池、电网储能系统以及客户端储能系统中发挥着极其关键的作用。锂离子电池作为一种新型的能量存储技术，在能量密度、功率密度以及循环性能方面有着显著的优势。

因为车辆使用的动力电池数量庞大，而且是以紧密的串并联方式排列的，所以它在工作的时候，会以不同的速率进行放电，并且产生不同的加热速率，如果没有充足的冷却时间，再加上它的空间聚集效应，就会造成它的加热速率过高，从而引起热量的失控。

随着电动汽车的快速发展，世界各地都出现了电动汽车自燃事故。特斯拉 Model S （Model S）自2012年投产至2019年，发生了20余起自燃事故，以冒烟、自燃和自燃为主要特征，夏季是发生自燃事故的频率最高的时段。

目前，蓄电池的安全问题已成为影响电动汽车普及的主要问题。许多电动车的安全问题都是由于电动车运行时所受到的环境条件以及电池运行时所引起的热影响而引起的。

长期运行在较高温度和不能及时有效冷却的工作条件下，会严重影响电池的服役性能，并随时会引发单体乃至整个电池组的热失控，造成潜在的安全风险。

但是，其在低温、低温等环境下，不但会导致其比容量降低，而且还会引起一系列不良反应，导致其综合综合性能的降低。

这就要求电池严格、有效地控制其温度，不仅要确保电池工作在适当的温区，而且要确保电池工作在适当的温区内，而且要保持电池温度的均匀性，才能达到提高电池性能、延长使用寿命和提高整车安全性能的目的。

锂离子电池通过在正负电极之间移动和在外部回路中流动的锂离子而产生电能。在固体电解质（SEI）、电解质（电解质）和隔膜（隔膜）等不同工艺条件下，锂离子在电解质中的嵌入和脱嵌，使其在电解质中释放和产生热量。

锂电池的热效应由两个方面组成，一个是产生热的过程，一个是辐射的过程。其中，电解液的产热主要来源于电解液中的电解反应，而放热主要来源于电解液中的热量。

早在1985年， Bernardi等就已经清楚地指出，锂电池的生热是由其内部复杂的电化学反应、局部热物理性质的变化等导致的，并以热力学第一法则为依据，建立了能量平衡模型。

基于锂离子在锂离子中的迁移和脱嵌等电化学行为，研究电极材料和电解液种类对锂离子的优化作用，对提高锂离子电池的充放电性能和延长其使用寿命具有重要意义。

一般来讲，在不同的化学反应速率，不同的充放电效率，不同的充电接受率，不同的功率，不同的容量，不同的可靠性，不同的循环时间。研究了不同的工作温度对锂离子电池性能的影响。

但当其处于高温（>60℃）时，不但会显著地降低其充放电性能，还会加快其老化及寿命。目前，国内外学者对该体系中电极材料、电解质和隔膜等材料性能的变化规律进行了深入的探讨。

Gabrisch等对钴酸锂和锰酸锂正极材料在75℃环境中进行10 d和6 d的循环性能测试，结果表明，其容量的大幅退化是因为材料晶形变化导致的锂离子不可逆嵌入。

Bodenes等人在85-120℃的温度范围内，在7.5%-22%的容量范围内，在85-120℃的温度范围内，对三元电池衰减的改变进行了分析，并找到了使固态电解质薄膜 SEI薄膜的厚度增大的理由。

其产生的原因有二：一是正极物质内部的 PVDF向正极界面转移；二是因为在电解液中，碳酸盐成分的挥发和无机盐的析出。

用LiPF6/(PC+ EC+ DMC）作为电解液时，三元 Li电池在90~660摄氏度范围内， SEI的分解、电解液与 SEI的相互作用、电解液与正极物质的相互作用、电解液的退化等的热学性质。

这些反应都是由电解质的裂解以及电解质的裂解所引发的一系列的放热反应所构成，所以，在电解质与电解质的作用下，将会产生一系列的放热反应，进而使得电解质迅速升温。

在大型电池堆中，系统在受热时会因蓄热与累积而导致系统升温，若无法得到足够的放散，系统会快速上升，直至到达某一临界值，导致系统产生无法控制的热量，甚至导致系统爆炸。

在较低的温度下，它的稳定性大大降低，并且加速了它的陈化进程。早在2001年，纳加斯布拉曼尼亚就曾把松下18650型蓄电池的室温从25℃降低至-40℃，结果使该蓄电池的电能减少了将近95%。

Ji等人也报道了2.2 Ah的标准18650电池，其在-10摄氏度、1 C的速率下，只能有1.7 Ah的可充电和放电量，而在4.6 C的速率时，只能有0.9 Ah。

在材料方面，由电解液的电导率，电极材料，电极的厚度，隔膜的空隙率，以及浸润性等因素引起的内在的微观性质的改变。

首先，在低温时，液体的粘度和离子传导性质会变化，使得液体的低温时，液体的稳定性会下降。在较低温度下，Li+电解质系统的粘度降低，导致系统的内部电阻显著增加。

目前，关于该问题的研究主要集中在制备低凝固点数和高离子电导率的低温电解液，或是通过添加添加剂来改善其电导率。

其次，在低温条件下，正极材料的内部电阻增大尤为明显，在-20摄氏度时，正极材料的内部电阻是室温25摄氏度时的3倍，从而导致正极材料的循环性能下降。在较低温度下，在充放电时，蓄电池的内阻增大更加明显。

另外，由于碳材料在较低温度下发生极化，造成电极材料 SEI薄膜对锂离子渗透能力下降，在较低温度下，锂离子难以嵌入而在电极材料上沉淀，造成体积损耗，严重时还会生成锂枝晶，造成电池的短路。

当前，要想解决电池的低温问题，最有效的方法就是在系统级中，引进了电池的内部加热，或者是在系统级中，引进了外部的热能。

将相变储能器件与蓄电池集成，充分发挥物质在熔融或固化过程中的吸/放热特点，实现蓄电池的热管理，并与配套的器件相匹配，构成蓄电池的热管理模块。

所述组件能够将所述电池堆的温度有效地控制于所述最优区域，进而提高所述各单元之间的所述温度场的均匀性。

其中，相变储能单元是储能单元的关键，其相变储能单元的相变潜热决定了储能单元的相变潜热，而相变储能单元的热传导特性又决定了储能单元的稳定性。

除了提高材料的导热性能，其在锂离子电池中的分配模式也是决定锂离子电池的高效热传导的关键因素。

Al-Hallaj团队将相变温度为42~45℃、焓值为127 kJ/kg、热导率为16.6 W/（m· K）的 PCM/膨胀石墨复合材料填充到用于存放电池的密闭箱中，再将圆柱形电池插入缝隙中，形成材料-电池模块。

实验表明，相对于风冷，它可以将电池组中央与外围之间的温差由3摄氏度下降到0.2摄氏度，提高了电池组内部的温度均匀度，从而达到对电池组进行高效降温的目的。

以石墨等炭质物质为导电助剂，制备出具有一定形状的块状复合材料，是目前该领域的研究热点。很多工作都是针对不同的单元，选用了各种 PCM与模块，都是为了减少模块的总体温度。

Sabbah等人利用具有52-58° C相转变温度的相转变材料和石墨制成了一种新型的锂离子电池的热管理用复合材料。

试验表明，在2 C及25摄氏度以下的条件下，采用风冷方式制冷与采用相变储能技术的太阳能电池散热并无明显差异。

结果表明，在正负极电流密度为6.67 C，或者在正极电流密度为45 C以上的情况下，该混合相变材料可以有效地延缓正极电流密度的上升。

Lin等将膨胀石墨加入到 PCM中，用于LiFePO4电池的无源热管理，并将其加入到碳纤维中，从而进一步减小了电池及材料的接触热阻。

试验证明，在40安培、80安培情况下，该装置的工作环境下，其工作环境下的工作环境比未安装相变系统时的工作环境要好32%，工作环境中的工作环境更适合于储能系统的工作环境。

在此基础上，进一步对其进行材料性能调控，并将其与常规的热管理方法有机地融合，使其工作在一个最优的温度区间，降低其能量损耗，提升其稳定性。与传统的有源热管理方式相比，它可以降低能量消耗。

随着电池容量、功率密度的提升，电动汽车在多个极端天气条件下的应用，对其散热性能的要求也越来越高。

参考资料

《Ma S，Jiang M，Tao P，et al．Progress in Natural Science: Materials International，2018，28 ( 6) ，653．》《Abada S，Marlair G，Lecocq A，et al． Journal of Power Sources，2016， 306，178》《Gu W B，Wang C Y． Journal of the Electrochemical Society，2000，147 ( 8) ，2910》