动力锂离子电池自加热致性能变化机理研究

The selfheating of power lithium ion batteries is the most important factor that affectes the temeperature distribution, thus the inhomogenous distribution of the performance of the electrodes in parallel connection, resulting in the fast performance fading and possible seriously safety problems. But these effect is only occurred in the real battery system. Based on the equipment that can accurately measure the temperature of the typical region in the batteries and the 10 Ah lithium ion batteries with LiFePO4 as cathode we developed. The performance, surface temperature, infrared temperature imaging, temperature distribution of the typicla region in the batteries are measured at 50℃, 25℃ and -20℃, respectively. The batteries are charge-discharged at different current density to analyze the tendency of the temperature distribution, composite and structure with time and space caused by selfheating. Furthermore, the relationship between the performance and structure evolution and the mechanism of performance change caused by selfheating are established. The item is important for the performance improvement and commericialization of the power lithium ion battery.

动力锂离子电池在使用过程中由于内阻而产生的自加热是导致电池内部温度分布不均匀，进而导致并联极片性能不均匀,最终导致电池（组）性能快速下降并产生严重安全隐患的主要因素。而该影响只能在实际电池（组）体系中才能充分体现。本项目以容量为10Ah的LiFePO4动力锂离子电池为研究对象, 以新开发的能准确测量动力电池内部温度的装置为基础，测量动力锂离子电池在50℃、25℃和-20℃时以不同倍率循环不同次数后的性能、表面温度和红外成像及电池内部典型区域的温度分布关系，分析相同条件下、相应区域正负极极片性能和结构随时间和空间的变化趋势，分析自加热致电池内部温度分布、材料性能和结构随时间和空间的演化规律，建立电池宏观性能参数与微观结构之间的科学关系，揭示动力电池自加热导致的性能变化机理。从而为动力电池的设计开发、科学管理和使用提供理论依据。本项目的实施对高性能动力锂离子电池的性能改进及产业化具有重要意义。

动力电池内部反应不均匀特性是导致性能衰减的最重要因素，其重要原因在于温度和应力的不均匀分布。本项目以循环2500次的100Ah的LiFePO4动力电池为研究对象，获得了动力电池内部容量二维（同一极片）和三维（不同极片）容量的分布规律，系统分析了温度和应力对反应不均匀特性的影响，然后采用X射线吸收谱成像技术（X-PEEM）将循环后的极片的表面现象进行了纳米级别的可视化，将活性锂的损失、活性物质表面相分离、磷酸铁锂中的固溶体相似及粘接剂/导电剂的结构变化等关联。进一步采用充放电过程中结构较为不稳定的LiNi0.5Mn1.5O4为研究对象，以透射X-光扫描显微（STXM）技术进一步证实了Ni4+、Ni3+、Ni2+在电极厚度方向上的反应是不均匀的，同时还证实了这种不均匀性在单一电极颗粒内、不同电极颗粒间的分布也是不均匀的；还证实了大颗粒正极表面钝化层可有效保护电极颗粒内部完全的充电相。项目进一步采用热失控钴酸锂电极的PEEM研究证实了热失控前后在单个电极颗粒层面的不均匀化与导电剂和粘接剂分布的紧密关系，加深层状材料热失控行为。因此，本项目构建了宏观的容量分布的不均匀特性与结构不均匀特性、电极深度不均匀特性、表面相的不均匀特性及导电剂和粘接剂的不均匀分布之间的关系，为电池性能的改进提升提供了理论基础。