低气压环境下钴酸锂电池老化机理及热安全性能研究

作     者：平现科 

作者单位：中国民用航空飞行学院 

学位级别：硕士

导师姓名：谢松

授予年度：2023年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 082503[工学-航空宇航制造工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：钴酸锂电池 低气压 老化机理 热安全 健康状态 老化路径 

摘      要：随着全球能源需求和环境保护需求的日益提高,电动飞机研究和商业化备受关注,而发展新能源和可再生能源是其中的关键一环。在这些新能源中,锂离子电池由于其自身综合性能良好的特点,得到了迅速的发展。但锂离子电池老化过程中的性能衰退以及全生命周期内存在的热安全问题制约了电动飞机应用的进一步发展。因此,研究低气压环境下老化电池的热安全性对航空锂离子电池的安全防控具有重要意义。本研究开展低气压环境下钴酸锂软包锂离子电池循环老化实验和老化电池热失控实验。研究内容主要针对不同气压环境、低气压环境与不同放电倍率、不同循环次数耦合老化路径下锂离子电池老化机制和热失控特性进行探究。实验结果表明:(1)低气压环境下循环电池电化学性能逐渐下降,主要表现为库伦效率降低,容量衰减速度加快。由于低气压环境下电池机械应力变化致使活性材料接触恶化,活性锂损失增多,并且电池内层副反应加剧。随着环境气压由96 k Pa降低至30 k Pa,50次循环电池可逆锂衰减增大26.6%,析锂副反应提前25.0%,电池健康状态急剧衰退。绝热环境下电池T降低14.5°C,低气压环境下老化电池材料和安全稳定性明显衰退。(2)电池老化速率因应力类型而不同,老化速率随放电倍率增大和气压降低而增大,但低气压加速电池老化作用显著。随着气压降低和倍率增大,耦合老化路径下电池因充电过程中活性锂离子和正极活性物质损失显著增多而加速衰减,不可逆析锂副反应加剧并提前发生。耦合老化路径下电池热失控温度T降低,产热量减少,热失控强度升高,电池热稳定性降低。30 k Pa下2.0 C老化工况下电池安全状态衰退至58.891%。(3)电池容量随循环次数增大而衰减,随着环境气压由96 k Pa降低至30 k Pa,不同循环次数间的电池容量衰减增大,低气压是电池老化速率增大的决定性应力。随着气压降低和循环次数增大,耦合老化路径下电池充电过程活性锂离子和负极活性物质损失增多,不可逆析锂副反应加剧并提前发生。耦合老化路径下电池热失控时间提前,火焰喷射强度增加,热失控产热量减少,热稳定性衰退。30 k Pa下50和100次循环老化工况下电池热安全状态分别急剧衰退至35.01%、21.02%。