锂亚硫酰氯电池热控制研究现状

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1、锂亚硫酰氯电池热控制研究现状作者：于广锋杨春信摘要：本文针对锂亚硫酰氯(Li/SOCl2)电池的安全问题，对Li/SOCl2电池的发热机理进行分析，介绍了电池热物理参数测量的方式，介绍了电池的被动热控、热电制冷、热开关、对流式主动热控、相变热控等锂电池热控制方式的研究状况。叙词：锂亚硫酰氯电池热控制热电制冷热开关强迫对流相变材料(PCM)Abstract：ThispaperdescribesthestudyonheatgenerationofLi/SOCl2batteries,andsummarytheresearchonmeasurementsofthefundament

2、althermodynamicparametersofLithiumbatteries.ThestateofartsofthermalcontrolforLithiumbatteriessuchaspassivethermalcontrol,thermoelectriccooler,thermalswitch,convectionactivethermalcontrolandphasechangethermalcontrolisreviewed.Keyword：Lithiumthionylchloridebatteries,Thermalcontrol,Thermoelec

3、triccooler,Thermalswitch,Forcedconvection,Phasechangematerial(PCM)1引言锂是金属中最轻和电势最负的一种元素，锂亚硫酰氯(Li/SOCl2)电池是一种以锂为负极，碳作正极，无水四氯铝酸锂的亚硫酰氯(SOCl2)溶液作电解液的锂电池。Li/SOCl2电池具有比能量高、比功率大、放电电压平稳、储存寿命长等特性，在航天器、水中兵器、导航设备等军事和民用工业中都有广泛的应用。不同电池的比能量与比功率关系如图1所示[1][2]。从图中可以看出，Li/SOCl2电池是比能量和比功率最高的电池。大型Li/SOCl2电池主要用

4、于不依靠工业电源的军事用途，作为一种无须充电的备用电源，如导弹深井发射时的地面备用电源等，一次锂电池在军事装备中的特殊功能，是其他电池无法替代的[3][4]。Li/SOCl2电池存在的主要问题是电压滞后与安全问题，其中安全问题是最主要的问题。锂电池在使用过程中发生化学反应，产生热量不能及时有效地散发，就会在电池内部积累热量，引起电池的升温，进一步促使反应的加剧，形成产热与温升的正反馈，当热量积累到一定程度的时候，就有鼓胀、泄漏、着火、爆炸等危险，这种现象被称之为热失控。因此，分析电池的热特性，并有针对性地使用热控措施，迅速导出电池放出的热量，减少电池内部热量积累，防止热失控

5、，保证电池的安全，具有十分重要的意义。2Li/SOCl2电池发热机理研究有关Li/SOCl2电池的发热机理的研究主要侧重于深入了解电池内部化学机理，建立电池热模型，目的是减少电池放电发热量和热流密度。分别从传热学、电学和化学角度分析，电池热模型有三种不同的形式。从传热学角度分析，假设单体电池温度内部均匀，应用傅立叶导热定律，可以得出电池热平衡控制方程为[5](1)上式中：为电池密度(kg/m3)，cp为定压比热容(J/(kg﹒K)-1)，T为电池温度(K)，t为时间(s)，为导热系数(W/(m﹒K)-1)，为单位体积热生成率(W/m3)。从电学角度分析，电池发热功率由下式确

6、定[6](2)式中：QT为发热功率(W)，I为放电电流(A)，Er为开路电压(V)，E1为负载电压(V)，其中IE1为电池可用功率(W)，从工程应用的角度分析，电池热控制的主要目的是减少发热功率，而并非减少可用功率。从化学角度分析，电池发热功率由下式确定[7]：(3)式中：QP为极化热(W)，来源于正负极的极化和电解液阻值升高，是电池优化设计能够降低的主要热量；QS是由熵变引起的热量(W)，电池电极的熵变对电池的电化学和热行为有显著影响，GuW.B.建立了热和电化学耦合的模型，对热—电化学交互作用进行了分析，认为在热滥用的情况下，电池温度逐渐升高，电池正极发生热分解，最终导

7、致热失控[8]；QA为化学反应热(W)，主要源于金属锂的腐蚀，还包括电池化学副反应。Li/SOCl2电池反应方程式见式(4)，此反应是放热反应，除此反应外，Li/SOCl2电池内部其他反应也是剧烈的放热反应。(4)由于Li/SOCl2电池寿命可长达10年，电池的自放电反应对电池性能影响很大，所以研究长时间储备后进行放电的Li/SOCl2电池时，QA需要考虑自放电产热。SpotnitzR.M.等建立了Li/SOCl2电池自放电特性的电化学模型，用于预测电池寿命，提高安全系数[9]。电池的发热是与电化学联系在一起的。G