【干货】自加热锂离子电池设计指南

　　众所周知温度对锂离子电池的性能有着十分重要的影响，温度过低时由于电解液粘度的增加，SEI膜阻抗增大，石墨负极动力学性能变差，会导致电池的电化学极化增加，极大的降低电池放电能力，例如一辆在23.9℃下能够行驶105英里的电动汽车，在-6.7℃下仅能行驶60英里左右。

　　同时低温充电是十分危险的，会导致锂枝晶的产生，引发严重的安全问题，因此电动汽车电池组设计方面，电池的加热和散热装置一直是必备部分，加热装置一方面增加了车用锂离子电池组的成本，增加了电池组重量，此外复杂的设计往往会导致电池的可靠性降低，因此一种能够适应低温环境的高可靠锂离子电池就应运而生。

　　以往为了提高锂离子电池的低温性能，往往我们需要对电解液和电极等做出相应的调整，以高成本和性能牺牲为代价，提升锂离子电池的低温性能。最近研究者们提出了一种新的思路，不更换低温电解液以及电极配比，仅从电池结构入手，通过在电池内部极板之间插入涂有聚合物绝缘层的Ni箔，实现了锂离子电池自加热功能，能30s内将锂离子电池从-30℃加热到0℃，而这一过程仅仅消耗5.5%的电池能量。相比于外部加热带的锂离子电池加热方式，内部加热方式热效率更高，能够有效的降低加热能耗。

　　近日美国滨州州立大学的Xiao-Guang Yang等针对自加热电池进行了研究，并提出了优化改进方案。一般来讲，自加热电池设计是将带有加热功能的Ni箔嵌入到软包方形锂离子电池的中间位置，试验中Xiao-Guang Yang等在软包方形电池的中间嵌入了一片厚度为50μm的Ni箔，20℃下的电阻为56.2mΩ，两侧各包有28μm的绝缘包覆层。控制设计原理为，Ni箔的一端与负极相连，另外一段通过一个控制开关与负极相连，外电路与Ni箔有开关的一端相连，在温度低于0℃时，开关打开，强制电流流经Ni箔产生热量，当电池温度达到0℃后，温控开关闭合，停止加热。由于Ni箔的电阻与温度呈线性关系，因此可以通过测量Ni箔的电阻来确定电池内部的温度，电池外表的温度可以通过热电阻进行测量。

　　实验中发现，由于锂离子电池结构的导热系数较低，当电池表面的温度从-20℃升到0℃时，位于电池中间Ni箔的温度达到了30℃左右，在电池内部与表面之间形成了很大的温度梯度，这一温度差异会导致不同电池极片放电倍率的差异，在试验中发现在开始加热10s后，中心部位的极片由于温度较高，放电倍率达到了9C，而边缘的极片由于温度较低，因此放电倍率仅为5C。自加热过程，由于较大的温度梯度的存在，对电池的性能产生了不良的影响，同时也导致电池的加热能耗较大。

　　研究发现，电池导热效率越高，电池的温度梯度越小，可以使自加热过程更加高效，耗能更少。为了减少自加热锂离子电池的温度梯度，Xiao-Guang Yang等进行了多层Ni箔设计，几层Ni箔并联，Ni箔电阻设计使得并联后总的电阻值为56.2 mΩ，多层加热片的设计使得电池内部的温度梯度明显降低，电池的加热能耗也从4.15%（一层）下降到了3.23%（两层）和3.03%（三层），这与理论值2.76%已经非常接近。Xiao-Guang Yang通过自加热结构的优化使得自加热效率显著提高，降低了加热过程的能耗，显著提高了该技术的实用性，为电动汽车在北方城市推广奠定了坚实的基础。