本文翻譯與整理來源為美國賓夕法尼亞州立大學(xué)王朝陽團(tuán)隊(duì)發(fā)表于期刊Journal of PowerSources的文章“Computational design and refinement of self-heating lithium ion batteries”，該文主要報(bào)道了自加熱鋰電池SHLB的溫度分布和電流分布的不一致性，以及SHLB
本文翻譯與整理來源為美國賓夕法尼亞州立大學(xué)王朝陽團(tuán)隊(duì)發(fā)表于期刊Journal of PowerSources的文章“Computational design and refinement of self-heating lithium ion batteries”，該文主要報(bào)道了自加熱鋰電池SHLB的溫度分布和電流分布的不一致性，以及SHLB內(nèi)部溫度梯度嚴(yán)重影響電池自加熱時(shí)間和耗電量，并提出多層鎳鉑片設(shè)計(jì)的思想。 
圖1
圖1（a）：SHLB的結(jié)構(gòu)除了傳統(tǒng)鋰離子電池：陽極、陰極和電解液/隔膜，SHLB還插入了一個(gè)薄鎳箔，并在其上覆著有電絕緣聚合物。鎳箔的一端連接到負(fù)極端子，鎳箔的另一端延伸軟包電芯之外形成第三個(gè)端子（激活端子）。 圖1（b）：SHLB工作原理可以通過該簡易電路原理圖看出，當(dāng)溫度低于0℃時(shí)，激活開關(guān)保持打開狀態(tài)，以強(qiáng)制電流流過鎳箔，產(chǎn)生大量的歐姆熱來迅速加熱電池材料和電化學(xué)界面；而當(dāng)電池溫度達(dá)到或超過00℃，激活開關(guān)閉合，使電流繞過鎳箔，電池就像傳統(tǒng)鋰電池一樣，在較佳溫度范圍內(nèi)工作，性能優(yōu)越。原文所述的熱模型和試驗(yàn)所用到熱物性參數(shù)見表1。圖2（a）鎳箔內(nèi)部的溫度比電池表面溫度上升的很快，當(dāng)表面溫度上升到0℃時(shí)，在鎳鉑溫度已達(dá)到約30℃。電池內(nèi)部具有這么大的溫度梯度將導(dǎo)致不同電芯單元具有不同的特性。圖2（b）為外溫-20℃，Vact = 0.4 V，電池電壓和總激活電流曲線圖（以10Ah為基準(zhǔn)）。圖3（a）展示了不同電池加熱激活時(shí)間下，距離電池外表面不同尺寸下電池溫度分布情況。圖3（b）展示了不同電芯單元，不同電池加熱激活時(shí)間下的電流情況。 得益于電池快速自加熱，靠近鎳箔的電芯單元可以放出更高的電流，10s約達(dá)到9C。但是，靠近外表面的電芯單元低于5C放電，這些電芯單元的放電電流均隨時(shí)間減小。電池內(nèi)部溫度梯度較大的主要原因是鎳箔到電池外表面的沿著界面方向的傳熱不足，圖4（a）表明在電池加熱激活過程中，大部分熱力來自于鎳鉑內(nèi)阻發(fā)熱，從圖中可以看出，鎳鉑發(fā)熱帶來的熱量從加熱激活起始階段的占比63%一直升到結(jié)束階段的87%，平均占比約78%。圖4（b）~4（d）展示了測試所選擇的不同電芯單元的不同位置處溫度變化、電流變化以及荷電狀態(tài)SOC變化情況，其中，電芯單元1最靠近電池外表面，電芯單元16比鄰鎳鉑。離鎳鉑最近的地方，電芯單元16溫度在5s內(nèi)從-20℃升至-5℃。同樣得益于快速自加熱，電芯單元16的放電電流也在5s快速增加至8.2C，而電芯單元1的溫升很慢，5s才升至-17.8℃。通過改變電芯單元的有效導(dǎo)熱系數(shù)來模擬研究電池溫度梯度對電池自加熱激活時(shí)間和加熱耗電量的影響，結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，隨著導(dǎo)熱系數(shù)的增大，鎳鉑最高溫度呈現(xiàn)指數(shù)形式下降。當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)足夠大的時(shí)候，鎳鉑溫度接近電池外表面溫度，意味著電池溫度梯度趨近于0。原文作者團(tuán)隊(duì)通過計(jì)算設(shè)計(jì)了一個(gè)通過在電池內(nèi)部插入多片鎳鉑，而不是在電池中心放置單一鎳鉑來改進(jìn)SHLB結(jié)構(gòu)，如圖6（a-b）。新設(shè)計(jì)的SHLB可以有效地縮短從發(fā)熱鎳箔到周圍電池材料和組件的熱傳遞路徑，進(jìn)而顯著地改善加熱時(shí)間和減少能量消耗。從示意圖可看出這些多片的鎳鉑為并聯(lián)連接。鎳鉑的總電阻還是保持與單片鎳鉑一致，為56.2mΩ（20℃），則雙片鎳鉑的每個(gè)鎳鉑片電阻設(shè)計(jì)為112.4 mΩ（20℃），三片鎳鉑的每個(gè)鎳鉑片電阻設(shè)計(jì)為168.6mΩ（20℃）。
經(jīng)過模擬仿真試驗(yàn)得到圖6（c-d）曲線， Vact=0.4 V，外溫=-20℃條件下，不同片數(shù)鎳鉑電池表面溫度和鎳鉑溫度的變化情況，以及不同電芯單元的自加熱耗電量情況。從圖中分析可以看出，自加熱時(shí)間從單片鎳鉑的27.7s減小到雙片鎳鉑的20.8s和三片鎳鉑的19.4s，分別可以縮短加熱時(shí)間約25%和30%。自加熱總耗電量也從單片鎳鉑的4.15%降低至雙片鎳鉑的3.23%s和三片鎳鉑的3.03%，分別可以減少約22%和27%的耗電量。
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