ER48660型鋰/亞硫酰氯電池?zé)岱治?/h1>

2010-04-21 06:48:12王艷峰胡欲立王家軍

電源技術(shù)訂閱 2010年8期 收藏

關(guān)鍵詞：熱流量傳熱系數(shù)壁面

王艷峰，胡欲立，王家軍

（西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，陜西西安 710072）

鋰/亞硫酰氯電池是新一代綠色高能一次電池，具有比能量高、體積小、放電電壓大、無記憶效應(yīng)等突出優(yōu)點(diǎn)，近年來經(jīng)過大力發(fā)展，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海等諸多領(lǐng)域。自從上世紀(jì)70年代以來，國(guó)內(nèi)外許多科技工作者已經(jīng)對(duì)鋰/亞硫酰氯電池的很多特性做了廣泛而深刻的研究。K.M.Abraham等人共同研究了鋰/亞硫酰氯電池的循環(huán)伏安特性和電化學(xué)性能[2]。H.V.Venkatasetty等人通過向鋰/亞硫酰氯電池的電解液添加不同的惰性有機(jī)電解質(zhì)改變并測(cè)量了它的電化學(xué)性能[3]。F.M.Delnick深入研究了鋰/亞硫酰氯電池正極鈍化膜轉(zhuǎn)移電荷的能力[4]。Y.L.Zhang等人通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了鋰/亞硫酰氯電池的電極在LiAlCl4-SOCl2溶液中的生長(zhǎng)機(jī)理[5]。M.Jakie等人細(xì)致研究了多孔碳對(duì)鋰/亞硫酰氯電池電極性能的影響[6]。C.H.Kim等人共同研究了鋰/亞硫酰氯電池負(fù)極鈍化膜的生長(zhǎng)機(jī)理[7]。P.W.Krehl等人一起研究了鋰/亞硫酰氯電池的放電曲線[8]。李長(zhǎng)明等人一起研究了鋰/亞硫酰氯電池的極化曲線[9]。E.S.Takeuchi等人通過實(shí)驗(yàn)共同測(cè)量了鋰/亞硫酰氯電池基本的熱物理參數(shù)[10]。但是過去幾十年對(duì)鋰/亞硫酰氯電池的大量研究主要集中在它的電化學(xué)領(lǐng)域，對(duì)其熱物理性質(zhì)的研究少之又少。根據(jù)我國(guó)最近制定的鋰電池安全使用規(guī)范可知，所有鋰電池放電時(shí)內(nèi)部最高溫度不得超過80℃。原因是當(dāng)鋰電池放電時(shí)，由于內(nèi)阻發(fā)熱，極化放熱及化學(xué)反應(yīng)放熱等可導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度快速升高，尤其是許多電池在密閉空間內(nèi)以大電流長(zhǎng)時(shí)間放電時(shí)，內(nèi)部溫度上升更加明顯。當(dāng)溫度超過一定程度時(shí)，極易導(dǎo)致電池放電電壓急劇下降，即形成所謂的“死電池”，或使電池泄放，甚至爆炸[11]。因此當(dāng)鋰電池放電時(shí)對(duì)其內(nèi)部進(jìn)行熱分析是非常必要的。本文中利用FLUENT 6.2軟件對(duì)ER48660型鋰/亞硫酰氯電池放電時(shí)內(nèi)部溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系和溫度分布情況進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真分析，并研究了不同放電電流和不同表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)對(duì)它們的影響。

1 計(jì)算模型

1.1 理論分析

理論分析部分主要建立了ER48660型鋰/亞硫酰氯電池?zé)岱治龅臄?shù)學(xué)物理模型和計(jì)算方法，并對(duì)電池內(nèi)部發(fā)熱和散熱情況進(jìn)行了詳細(xì)分析。

ER48660型鋰/亞硫酰氯電池的負(fù)極是金屬鋰，正極是多孔碳，SOCl2既是電解液，又是正極活性物質(zhì)，LiA lCl4是電解質(zhì)。

電池放電時(shí)總的化學(xué)反應(yīng)：

對(duì)ER48660型鋰/亞硫酰氯電池進(jìn)行熱分析時(shí)，其相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 ER48660型鋰/亞硫酰氯電池?zé)嵛锢韰?shù)

由ER48660型鋰/亞硫酰氯電池的特性可知，在放電過程中，電池內(nèi)阻隨溫度的增加而變大，其變化范圍是0.1～0.2Ω，根據(jù)歐姆定律可以知道，電池的輸出電壓將逐漸降低，實(shí)際應(yīng)用中，為了防止電池過放危險(xiǎn)，當(dāng)放電電壓低于3 V時(shí)，將停止放電。

根據(jù)ER48660型鋰/亞硫酰氯電池的結(jié)構(gòu)組成可知，其放電時(shí)熱量傳遞過程包括三個(gè)環(huán)節(jié)：(1)從電池內(nèi)部區(qū)域到電池內(nèi)壁的熱量傳遞；(2)從電池內(nèi)壁到外壁的熱量傳遞，即固體壁導(dǎo)熱；(3)從電池外壁到外界環(huán)境的熱量傳遞，即電池殼體與空氣之間的自然對(duì)流傳熱和輻射換熱。

由上述分析可知，ER48660型鋰/亞硫酰氯電池放電時(shí)熱量傳遞過程的熱阻分析[12]如圖1所示。圖中：t—電池內(nèi)部溫度，℃；tw—電池壁面溫度，℃；tf—電池外部環(huán)境溫度，℃；δbs—電池壁面厚度，m；λbs—電池壁面導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；kbs—電池壁面表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)；A—電池壁面面積，m2。

根據(jù)Johnson、Salkind和Schlai[13-14]等人的研究成果可知，鋰/亞硫酰氯電池放電時(shí)熱流量主要是通過內(nèi)阻發(fā)熱，極化放熱和化學(xué)反應(yīng)放熱產(chǎn)生的。Bernadi等人認(rèn)為鋰/亞硫酰氯電池內(nèi)部熱流量是均勻產(chǎn)生的[15]，所以電池內(nèi)部區(qū)域單位體積單位時(shí)間內(nèi)熱生成率可以用下列公式計(jì)算:

式中：Q——電池內(nèi)部單位時(shí)間單位體積內(nèi)熱生成率，W/m3；Ib——電池放電電流，A；Vb——電池總體積，m3；Eoc——電池開路電壓，V；E——電池放電電壓，V；Rb——電池內(nèi)阻，Ω；r——電池半徑，m。

1.2 簡(jiǎn)化假設(shè)

為了建立ER48660型鋰/亞硫酰氯電池?zé)岱治龅臄?shù)學(xué)物理模型[16]，我們首先對(duì)其做下述簡(jiǎn)化及假設(shè)：(1)由于電池內(nèi)部電解液流動(dòng)性很差，所以忽略內(nèi)部電解液對(duì)流換熱的影響；(2)由于電池內(nèi)部電極輻射換熱的影響很小，所以忽略內(nèi)部電極輻射換熱；(3)假設(shè)電池兩端面絕熱，內(nèi)部電解液、電解質(zhì)等物質(zhì)各向同性，且溫度只沿徑向變化，沿軸向基本不變；(4)假設(shè)電池內(nèi)部除熱阻外其他各項(xiàng)熱物理參數(shù)不隨溫度變化；(5)假設(shè)電池內(nèi)部熱流量是均勻產(chǎn)生的[15]。

根據(jù)上述簡(jiǎn)化及假設(shè)可知，ER48660型鋰/亞硫酰氯電池內(nèi)部熱分析可簡(jiǎn)化成常物性、有內(nèi)熱源的三維非穩(wěn)態(tài)傳熱問題[12]。

1.3 控制方程

1.3.1 電池內(nèi)部區(qū)域微分方程及邊界條件[12,17]

1.3.2 電池內(nèi)壁到外壁的傳熱

式中：Φ——從電池內(nèi)部通過電池壁面?zhèn)鬟f到外界環(huán)境的熱流量，W。

1.3.3 電池外壁與外界環(huán)境的傳熱[12,17-18]

式中：Φ——從電池外壁向外界環(huán)境傳遞的熱流量，W；h——電池外壁自然對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)；εw——電池壁面材料的發(fā)射率；σ——斯特番-波耳茲曼常數(shù)，W/(m2·K4)。

1.4 邊界條件

表2為ER48660型鋰/亞硫酰氯電池?zé)岱治鲞吔鐥l件。

表2 ER48660型鋰/亞硫酰氯電池?zé)岱治鲞吔鐥l件

1.5 網(wǎng)格劃分

由于ER48660型鋰/亞硫酰氯電池內(nèi)部熱分析可簡(jiǎn)化成常物性、有內(nèi)熱源的三維非穩(wěn)態(tài)傳熱過程，因此本文中取鋰/亞硫酰氯電池的1/8圓柱體進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真分析[18]，計(jì)算網(wǎng)格如圖2所示。

2 結(jié)果分析

2.1 不同放電電流對(duì)電池內(nèi)部溫度隨時(shí)間變化關(guān)系的影響

ER48660型鋰/亞硫酰氯電池工作時(shí)，放電電流不同，單位時(shí)間單位體積內(nèi)的熱生成率不同，對(duì)電池內(nèi)部溫度梯度和溫度場(chǎng)分布的影響也不同。利用FLUENT 6.2軟件分析計(jì)算了ER48660型鋰/亞硫酰氯電池以不同電流連續(xù)放電7 h，且電池表面與外界環(huán)境的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為10W/(m2·K)時(shí)，電池內(nèi)部溫度隨時(shí)間的變化曲線，結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)圖3可知，電池表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是10W/(m2·K)，放電時(shí)間是7 h，放電電流是3 A時(shí)，電池內(nèi)部最高溫度是25.1℃，溫差是1.1℃；當(dāng)放電電流是2.5 A時(shí)，最高溫度是22℃，溫差是0.8℃；當(dāng)放電電流是2 A時(shí)，最高溫度是19.4℃，溫差是0.4℃。而上述三種情況下電池內(nèi)部溫度到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間均為3 h左右。由此可知，放電電流越大，電池內(nèi)部溫度越高，溫差也越大。造成這個(gè)現(xiàn)象的主要原因是：放電電流越大，產(chǎn)生的熱流量則越多，電池內(nèi)部溫度就越高；同時(shí)由于電解液的傳熱性能較差，所以電池內(nèi)部溫度分布的均勻性就較差；但是當(dāng)電池表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)不小于10W/(m2·K)時(shí)，電池內(nèi)部產(chǎn)生的熱流量能夠較快地傳遞到外界環(huán)境，所以雖然放電電流不同，但是電池內(nèi)部溫度到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間卻基本不變。

2.2 不同表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)對(duì)電池內(nèi)部溫度分布的影響

ER48660型鋰/亞硫酰氯電池與外界環(huán)境的熱量傳遞主要是外壁與空氣的自然對(duì)流換熱和輻射換熱，不同的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)對(duì)電池內(nèi)部溫度梯度和溫度場(chǎng)分布具有重要的影響。利用FLUENT 6.2軟件分析計(jì)算了ER48660型鋰/亞硫酰氯電池與外界環(huán)境的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)不同時(shí)，以3 A電流連續(xù)放電7 h，電池內(nèi)部溫度分布情況，結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)圖4可知，當(dāng)電池放電電流3 A，放電時(shí)間7 h，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)50W/(m2·K)時(shí)，電池內(nèi)部最高溫度是17.9℃，溫差是1.1℃；當(dāng)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)10W/(m2·K)時(shí)，最高溫度是25.1℃，溫差是1.1℃；當(dāng)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)5W/(m2·K)時(shí)，最高溫度是33.9℃，溫差是1℃；當(dāng)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)1W/(m2·K)時(shí)，最高溫度是70.4℃，溫差是0.7℃。即電池表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)越大，到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間越短，電池內(nèi)部溫度越低。當(dāng)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)小于10W/(m2·K)并逐漸增大時(shí)，溫差增加；當(dāng)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大于10W/(m2·K)并逐漸增大時(shí)，溫差基本不變。造成這個(gè)現(xiàn)象的主要原因是：電池表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)越大，通過電池表面散發(fā)的熱流量就越多，電池內(nèi)部溫度就越低，到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間就越短。當(dāng)電池表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)小于10W/(m2·K)時(shí)，電池表面與外界環(huán)境之間的對(duì)流換熱和輻射換熱不足以將到達(dá)電池壁面的熱流量快速散發(fā)到外界環(huán)境，所以表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)越大，溫差越大；但當(dāng)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大于10W/(m2·K)時(shí)，到達(dá)電池壁面的熱流量都能被很快地散發(fā)到外界環(huán)境，此時(shí)由于電池內(nèi)部電解液的導(dǎo)電性較差，所以溫差基本不變。

3 結(jié)論

本文通過理論分析并結(jié)合實(shí)際情況建立了ER48660型鋰/亞硫酰氯電池?zé)岱治龅臄?shù)學(xué)物理模型和計(jì)算方法，并利用FLUENT 6.2軟件仿真分析了ER48660型鋰/亞硫酰氯電池連續(xù)放電7 h后內(nèi)部溫度分布情況，根據(jù)上述分析可得出如下結(jié)論：(1)電池放電電流越大，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱流量越多，電池內(nèi)部溫度越高，溫差越大；(2)電池表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)越大，單位時(shí)間內(nèi)通過電池表面與外界環(huán)境交換的熱流量越多，電池內(nèi)部溫度越低，到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間越短。當(dāng)電池表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)小于10W/(m2·K)并逐漸增大時(shí)，溫差增大；當(dāng)電池表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大于10W/(m2·K)并逐漸增大時(shí)，溫差基本不變。

[1] 唐致遠(yuǎn),陳玉紅.鋰/亞硫酰氯電池安全性的研究[J].電池,2006,36(1):74-76.

[2]ABRAHAM K M,MANK R M.Some chem istry in the Li/SOCl2battery[J].JElectrochem Soc,1980,127(10):2091-2096.

[3] VENKATASETLY H V.Cyclic voltammetric and spectroscopic studies of SOCL2solutions[J].JElectrochem Soc,1980,127(11):2531-2534.

[4] DELNICK FM.The kineticsof charge transfer reactions on passive LITHIUM electrodes[J].JPower Sources,1989,26(1-2):129-138.

[5] ZHANG Y L,CHA C S.Study of the surface film on lithium in LiAlCl4-SOCl2electrolyte[J].Electrochem ica Acta,1992,37(7):1211-1216.

[6]JAKICM,KOVACM.Influence of carbon black type on anode and cathode electrical properties in Li/SOCl2batteries[J].Electrochemica Asta,1995,40(17):2723-2729.

[7] KIM C H,PYUN S I.Grow th kinetics of lithium chloride layer formed on porous carbon cathodes during discharge of Li/SOCl2batteries[J].JElectrochem ica Soc,2003,150(9):A 1176-A 1181.

[8]KRECHL PW,LIANG C C.The technology of the Li/BrCl in SOCl2in organic battery system:Performance and self-discharge characteristics follow ing long-term storage[J].JAppl Electrochem,1983,13:451-458.

[9] LICM,ZHA Q X.The polarizing linesof Li/SOCl2battery'snegative electrode[J].Acta Physics-Chem ical Sinica,1989,5(2):243-245.

[10]TAKEUCHIE S,MEYER SM.Assessmentof capacity loss in lowrate lithium/brom ine chloride in thionyl chloride cells by m icrocalorimetry and long-term discharge[J].JElectrochem Soc,1990,137(6):1665-1669.

[11] WANG F,LIM D.Analysis of temperature field for batteries[J].Chinese Journalof Power Source,2010,34(3):288-291.

[12] 陶文銓.傳熱學(xué)[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2006.

[13]JOHNSON D H,AYERSA D.Design of a safe cylindrical lithium/thionyl chloride cell[J].Journalof Power Source,1984,12:61-70.

[14] CARL R S.The kinetics of the reduction of thionyl chloride[J].Journal Power Sources,1989.26:161-175.

[15] BERNADID,PAWLIKOW E,NEWMAN J.A general energy balance for battery system[J].JElectrochem Soc,1985,132(1):5-12.

[16] WANG JP,HU Y L.Analysis of temperature field for lithium-ion battery[J].Journalof Battery Technology,2008,32(2):120-131.

[17] 陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,2001.

[18] 韓占忠,王敬.FLUENT流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2004.

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