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储能工程师要理解的锂离子电池产热和散热机制

新能源时代 · 公众号 · · 2025-03-26 08:30

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1、锂离子电池产热机制

鲤离子电池在正常充放电过程中通过内部电化学反应进行能量转化时，不可避免会伴随有热量释放。将这些释放出的热量根据产热机理的不同进行分类，通常可以分为反应热Qr，焦耳热Qj，极化热Qp,以及副反应热Qs，因此鲤离子电池所产生的总热量Q可以用公式进行表示

反应热Qr是指在电池在正常工作期间，电池内部的鲤离子在正极、负极两处进行嵌入和脱出时发生的主要化学反应所带来的热量,对反应热Qr,进行描述和计算的公式如公式所示

n代表在电池主反应进行过程中所迁移的电子摩尔数;F代表法拉第常数，该常数值大小为 96484.5C/mol;E 代表电池电动势，单位为:V;T代表电池温度，单位为:K。

焦耳热Qj;是指电流在流经电池电解液和电极材料等存在有欧姆内阻的部分引发焦耳效应时所产生的热量，通过欧姆定律可以对焦耳热Qj,进行计算，如公式

I代表电池电流，单位为:A;R代表欧姆内阻。

极化热Qp,是指由电池产生的极化效应导致实际电位偏离平衡电位形成电势差时所释放的热量。其中，极化效应主要是在充放电电流超出电解液体系最大支持电流时发生。对于极化热的计算，可以等效电池内存在极化内阻Rp,进行，具体如公式：

副反应热Qs、是指电池内部材料如电解液、SEI 膜、正极和负极、隔膜等发生分解反应时产生的热量。只有在极端条件下如热滥用、电滥用、机械滥用等，导致电池温度过高(例如超过 90°C)触发电池热失控时副反应才会产生大量热量。而在电池正常工作状态下，来源于副反应的热量可以忽略不计。

2、锂离子电池散热机制

温度变化是电池的基本属性变化。根据热力学第二定律，系统内部产生的热量会自发的从高温区域传递到低温区域，其中温差可视作驱动热量传递的动力源。在自然条件下，电池内部产生的热量将从温度较高的内部向温度较低的外部传递，并通过外部表面与温度更低的接触环境进行换热。根据传热学理论，上述热量传递过程中主要涉及到热传导、热对流以及热辐射三种方式。

热传导是指温度相对较高的物体,通过相互接触的形式向温度相对较低的物体传递热量的一种热量传递现象。对于钾离子电池来说，热传导可以在具有温差的内部材料之间进行，也可以通过电池表面与电池接触部件进行，描述热传导的计算公式如公式所示：

Φf 代表热流密度，单位为:w/m2; λ 表示材料的导热系数单位为:W/m*K;dT/dn代表温度梯度，单位为:K/m。

从宏观角度来讲，热对流是指在由于流体运动时不同区域的流体存在相对运动不同温度的流体通过相互掺混传递热量的方式。其中，对流换热与一般的热对流有所不同，是指流体介质通过与物体进行接触传递热量的形式，具体的计算公式如公式所示:

qconv代表对流换热功率; Φ 代表热流密度，单位为:W/m2;h 代表对流换热系数，单位为:W/(m2 *K);A,代表对流换热面积，单位为:m2;Tm和Tl分别代表电池表面和与电池表面接触的流体介质温度。

热辐射是指物体通过电磁波的形式向外界传递热量的现象。热辐射在传递热量时无需媒介，其热量传递的大小主要与温度成正相关。由于在正常充放电期间电池表面升高的温度与环境温度相差较小且电池辐射面积不大，因此通常不考虑热辐射对电池散热的影响。计算热辐射的理论公式如公式所示：

Φ w代表热辐射产生的热量; Ɛ 代表物体的发射率，范围为0< Ɛ < 1; σ 代表斯蒂芬-玻尔兹曼常数，数值大小为:5.67X10（-8）W/(m2 *K4);A2为物体辐射表面积，单位为:m;T1、T2,分别代表物体表面温度与外界温度，单位为: K。

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