介紹
在高油價和碳氫化合物燃料持續短缺的時代，消費者開始尋找不需要過量汽油為其提供動力的替代運輸和能量收集方法已不足為奇。 隨著全球對二氧化碳排放量上升和氣候變化的擔憂持續加劇，對替代燃料來源的日益偏好變得更加誇張。 這種對具有環保意識的選擇的偏好正在引起消費者心態的轉變，可以從過去十年混合動力和電動汽車市場的大幅增長中得到突顯。 電動汽車為傳統的汽油動力汽車提供了一種節能且環保的替代品，因為電動汽車依靠大型可充電電池為其提供能量，而不是汽油或柴油。 幾種不同的電池化學成分可用於產生為電動汽車提供動力所需的能量； 然而，鋰離子電池是迄今為止最受歡迎的，因為它們具有高荷重比，可以提供最大的能量，同時佔用最少的空間。
鋰離子電池簡介
儘管可充電電池的普及在最近幾十年才開始流行，但這些產生能量的移動電源背後的想法自 1800 年代後期就已經存在，當時第一個可充電電池是使用鉛和其他酸性元素的獨特混合物製成的。 這種相對簡單的鉛板和主要是硫板的設計在 1980 年代首次亮相後很快被鋰離子電池取代，因為它們比鉛酸電池輕得多，並且能夠保持更長的充電時間。 鋰離子電池緊湊輕便的設計是這種電池主要用於為筆記本電腦或手機等小型手持電子設備供電的主要原因。 直到最近，這些市場產生了對鋰離子電池的大部分需求，並引發了消費者對此類電池的化學成分可在多大程度上用於其他應用（包括電動和混合動力汽車）的充分興趣。
鋰是地球上最輕、密度最低的固體元素之一，由於其高電化學勢，在 20 世紀後期成為電池負極材料的關鍵成分。 電池不僅僅由鋰組成，許多電池還含有其他幾種金屬，包括鈷、錳、鎳和磷。 由於它們在電池製造中的廣泛使用，所有這些目前都面臨著開發短缺的風險。 用於生產電池的大部分鋰來自兩個主要來源：在偉晶岩中發現的稱為鋰輝石的硬質二氧化矽礦物，或來自含有氯化鋰的鹽水湖礦床。 與從鹽水中獲取電池礦物相比，由於必須採用多種提取程序，因此從鋰輝石中開採碳酸鋰的能源強度和成本要高得多。 從鹵水礦床中回收的大部分鋰來自智利，少量來自中國、阿根廷和美國。
鋰離子電池設計
儘管電池的內部機制看起來相當複雜，但這些離子發電站遵循相對簡單的電化學設計，其中鋰原子在電池單元內的陽極位置被電離並與其電極分離。 鋰離子然後沿著直線軌跡穿過電解質，直到它們到達陰極，與它們的電子重新結合併被電中和。 大多數鋰電池將使用醚化合物作為電極，一種特定類別的有機碳分子。 一些電極組合甚至包括錳氧化物混合物或磷酸鹽混合物，後者是混合動力和電動汽車電池中極為流行的組合。
鋰離子電池的好處
鋰離子電池可以為用戶提供其他使用鎳鎘或鎳氫混合物的高質量可充電電池技術無法提供的多項優勢。 由於鋰是元素週期表中第三小的元素，相對於其較小的質量和體積，它具有較高的電壓和儲能能力。 它還具有目前市場上所有電池中能量密度最高的電池之一，為 100-265 Wh/kg。 與其主要市場競爭對手鉛酸電池相比，鋰離子電池的充電效率也為 100%，後者的充電效率僅為 85%。 這種增加的效率對於需要在太陽落入雲層或連續下雨天之前捕獲盡可能多的能量的太陽能電池極為重要。 與鉛酸電池相比，使用鋰離子電池的另一個好處是它們能夠在極冷或極熱的溫度下保持充電和發電能力。 這種在不利條件下的耐用性和持久性使它們成為比鉛酸或其他電池混合物更可靠的選擇。 鋰離子電池也相對免維護，幾乎沒有放置問題，這意味著它們不需要存放在直立或適當通風的隔間中。 這也使它們可以輕鬆組裝成奇怪的形狀，使它們成為將盡可能多的能量擠入小隔間或區域的理想選擇。
鋰離子電池的衰落
儘管與競爭產品相比，鋰離子電池擁有的好處似乎無窮無盡，但它們自發著火的可能性很高，因此歷來引起了極大的關注。 這個相當危險的問題與由於熱卸載不佳導致電池在高壓下過熱的趨勢增加有關，這導致了一些相當災難性的後果，包括整個波音 787 飛機機隊被迫停飛，這些飛機經歷了多次機載電池起火。 這些由內部熱失控引起的問題已經通過在鋰離子電池的設計中加入額外的通風來解決，以確保它們能夠有效地卸載盡可能多的內部熱量。 儘管鋰離子電池的生產成本比鎳鎘電池 (Ni-Cd) 高出 40%，但它們不含有毒元素鎘，因此更易於妥善處理和回收。 鋰離子電池的回收能力是其能夠取代鎳鎘電池成為智能手機和筆記本電腦等便攜式電子設備市場領導者的主要原因之一。
圍繞使用鋰離子電池期間發生自燃的可能性的擔憂仍然是一個問題。 作為回應，大量研究致力於了解這些元素材料所具有的全套熱性能。 當電池充電或放電時，它自然會產生大量熱量，需要有效散熱，以防止電池內部溫度出現峰值。 如果充放電速率或電極厚度急劇增加，電池的溫度也會因此升高。 電池單元內的極端溫度變化會損壞構成電池的材料的內部性能並縮短電池的使用壽命。 這將導致其他不良後果，如膨脹、漏電、火災或爆炸。 就電動汽車中鋰離子電池的使用而言，熱膨脹或熱失控會對乘客的安全構成重大風險，這也是為什麼在使用前正確分析電池的所有熱組件至關重要的另一個原因 將其部署在電子設備或移動車輛中。
電池內的熱量產生和傳遞
電池內產生的熱量主要由可逆或不可逆熱量組成，這通常由電池充電和放電過程中的熵係數決定。 如果散熱受阻，多餘的熱量就會積聚在電芯內部，導致內部溫度升高。 充電和放電過程中產生的過電位電荷會產生不可逆的熱量。 電池內部產生的大部分熱量位於其核心附近，具體而言，負極的厚度與放電率直接相關，並且整個電池單元將經歷的最低和最高溫度。 由於電極厚度和熱敏感性之間的這種直接關係，製造商只有在需要增加電池容量時才會增加電極厚度。 增加整體電池容量也可能導致電池單元的電阻率和電荷轉移能力增加。 經計算，標準尺寸的鋰離子電池正極的平均熱擴散率為 1.5 x 10-15 m2/S，正極的熱導率為 5 W/(m/K)，0.334 W/ (m/K) 在隔膜和 1.04 W/(m/K) 在負極。
電池冷卻技術
導熱係數值表示材料傳遞熱量的能力。 與天然具有絕緣能力的木材或織物製成的材料相比，金屬和幾種礦物等材料具有極高的導熱係數。 電池內產生的大部分熱量通過各種冷卻方法去除，例如空氣冷卻、液體冷卻或 PCM 冷卻。 空氣冷卻是目前使用最多的電池冷卻方式，利用力和電池周圍加速的氣流，從而提高電池與外界環境之間的熱交換率。 由於其簡單、方便和安裝成本低，這種方法仍然是使用最廣泛的方法。
結論
隨著全球對電動汽車的需求在未來幾十年持續增長，科學家們將需要不斷研究和設計更有效的電池冷卻方法，以保護車輛乘客免受與鋰離子電池火災相關的任何負面影響 . 能夠分析和量化鋰離子電池的熱性能是實現這一目標的一種方法，並將幫助科學家和工程師嘗試為電動汽車和鋰離子電池的其他應用構建最佳和最有效的熱卸載裝置 . 還需要更好地了解鋰離子回收方法，以確保一旦這些電池失去功能，一旦放入垃圾填埋場或處置不當，它們最終不會造成弊大於利。 儘管仍需要進行大量研究才能充分了解和正確利用鋰離子電池中存儲的能量，但迄今為止的應用表明，這些電池具有降低全球碳足跡和 為目前正在使用的許多類型的氣候變化誘導技術創造既環保又節能的解決方案。
Author: Kallista Wilson | Junior Research Scientist | Thermtest
參考資料
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