锂电池长期在过高温度下运行寿命会有影响吗？

1 温度对锂电池的影响

温度对锂电池的影响，从温度过高和过低两个方面考虑。

温度过高

短期，温度过高，锂电池存在损坏以及热失控的风险。锂电池负极SEI膜的溶解起始温度在90℃左右（不同型号电芯有差别），一旦保护膜开始溶解，工作以外的自生热过程就此开启，电池进入了热失控预备阶段。在这个短暂的时间窗口内，不能有效降低电池温度，热失控就会发生。

长期，长时间工作在较高温度状态，即使没有冲破隔膜溶解温度，电池的老化过程也会被加剧。电化学反应过程中，物质活性随着温度的升高而变强。电池充放电的反应过程更加活跃，表现为内阻变小。同时，副反应也跟着增强，正负极材料的溶解、电解液自身分解过程都会加剧。

锂电池长期在过高温度下运行，寿命将受到严重影响。下图是一组实验数据，不同温度下以相同的条件进行循环实验，得到电池容量衰减情形对比数据。可以观察到，过高的温度明显的带来容量的加速衰减。

温度过低

锂电池内阻随着温度的降低而增大，放电能力降低，一般0℃的放电能力不会高于常温能力的70%。低温充电，如果不对充电电流做出对应低温的调整，极容易出现负极析锂问题。低温造成锂离子和负极材料的活性同时下降，离子嵌入材料的效率降低，同样的充电电流，低温下，锂离子来不及嵌入材料内部而在材料表面形成单质结晶。锂单质堆积，枝晶生长，是隔膜破损，出现内短路的重要原因。热失控发生概率陡增。

2 热管理系统类型

热管理系统，通过对电池组系统施加加热或者散热的手段，调节锂电池的工作温度，尽量使得温度环境处在锂电池最适宜的范围，以最大化发挥电池组的能力，延缓电池老化。

热管理系统主要有三种形式。空气介质热管理系统，液体介质热管理系统，相变材料热管理系统。

空气介质热管理系统

空气介质热管理系统，是应用最早，形式相对简单的一种形式。系统利用空气的自然流动或者强制流动，将电池生热带走或者将外部加热器的热量传递给电池，并保持系统内温度尽量均匀，温差不要过大。

常见的空气介质热管理系统包括自然冷却系统、风冷系统和器件加热系统。

自然冷却系统，不单独设置冷却装置，依靠足够的空间和电池包壳体的散热能力，把电池产生的多余热量从电芯本身带走。这种方法自身不具备调节能力，适用范围较窄。

风冷，是目前应用较多的空气介质热管理系统。电池包设置吸风口和出风口，设计空气在电池包内流通的通道和散热器形式。系统可调节散热效果的参数包括风量，散热器形状和数量，通道形式及风口位置和数量。风冷系统，电池包内外大气相通，密封等级无法做到较高级别。

加热系统，应用在寒冷地区的电动汽车，电池包往往需要加热装置。锂电池自身特性决定，在温度低于0℃以后，电池性能发挥就会受到影响，同时还伴有对电池寿命的损害。加热器种类包括纯电阻加热，电热膜加热等。纯电阻加热器，发热效率不高，同时占据的空间较大。优点在于工作稳定，技术成熟。加热膜，自身材质种类较多，各家名称叫法并不统一。加热膜以薄片的形式存在，宣称的热功率密度比较高，发热效率高，理论上是比较理想的加热形式。但其行业发展还不成熟，在汽车上应用的时间比较短，相关标准只搜集到建筑行业的行标，稳定可靠性还有待测试和观察。

液体介质热管理系统

液体介质热管理系统，是当前热管理的研究热点。温度哦过高，利用热容量大的液体，在电池包内部循环，将电芯多余热量带走。温度过低，可以在电池包外部将液体加热，通过液体循环，将热量带进电池包内。热量的传递路径，需要有水冷散热器接触电芯，将电芯的热量通过散热器传递给冷却液，再由冷却液运输到电池包外部。液冷系统冷却效果均匀，可控范围宽，理论上比较理想。但液冷也有其自身的缺陷。液冷系统占用空间比较大，设计不理想就可能降低电池包的能量密度。液冷系统在电池包外部需要冷却液循环系统和处理冷却液升温降温的压缩机系统，系统复杂度较高。

相变材料热管理系统

在续航里程方面，氢燃料电池汽车一次加气可连续行驶700公里，能量转化率为60—80%，且排放仅为无污染的水，加氢时间短、行驶噪音小、整备质量较轻等，都是氢燃料电池汽车的优势。

首先从技术上来看，相比固体电池，氢燃料电池提升空间大，且没有锂电池使用寿命方面的顾虑，但由于锂电池无论是量产还是产业链方面都已经非常成熟，成本优势明显且技术难度较小。而氢燃料电池催化剂、质子交换膜、双极板等关键材料在国内几乎是空白，因此，成本也相应的有所提高。

关于有些人认为氢燃料电池成本之所以高，在于质子交换膜和铂催化剂的昂贵售价，我们都知道，铂是贵重金属，1g白金的交易价格在304元人民币左右，而催化剂使用量在0.4mg/cm2左右，100kW的燃料电池系统中使用的铂含量为41.67g。按照500元/g计算，成本约为20833元。这对于一辆售价在50万左右的燃料电池汽车来说，催化剂以及质子交换膜等材料显然并不是决定性的因素。

其实，主要原因还在于氢燃料电池汽车的工艺以及材料并不太成熟，随着逐渐量产，成本必然有非常大幅度下降。

其次阻碍其发展的因素还在于氢的储存以及运输方面，氢气并不像有些人所想的那么稀缺，在石油、煤、乙烯等原料进行处理时会以副产品的形式获得，且成本比较便宜。目前，中石化氢气年产量在200～300万吨，成为为20元～30元/吨，这个产量以及价格完全可满足国内燃料电池汽车对于氢气的需求。

虽然成本以及产量都比较理想，但产氢地往往与用氢地相隔遥远，运输成本很高，再加上加氢站的投入，成本便进一步飙升，如果采用电解制氢成本将大大提升，因此，氢气的储存运输成为了一个大问题。

相变材料热管理系统，是利用相变材料发生相变的过程中，吸收热量且温度不变的特性，调节电池包内部的温度。相变材料的相变温度必须与锂电池适合的工作温度范围相匹配，当前主要应用的相变材料是石蜡与膨胀石墨复合材料。

如上面的示意图所示，相变材料需要填充到电池包内部空间，最好贴合在电池表面。温度过高时，材料利用相变潜热吸收热量。

相变材料的缺陷也很明显，它只能调节高温，低温还需要单独配备加热器。另外，相变材料填充整个电池包内部空间，这给后续的局部替换电芯带来了不便。

3 一种锂电池热模型举例

介绍一个方形锂电池建模案例。作者周庆辉，在其论文《基于Fluent的锂离子动力电池的热分析》中表述了详细的建模过程。

热量来源

该模型认为，锂电池的热量来源主要是反应热、欧姆内阻热，极化热和副反应热四个部分。其中，副反应热比例较小，可以忽略不计。三部分发热最终可以整合成两种热量，不可逆热（内阻发热）和可逆热（反应发热）。

模型简化

建立模型的对象是锂电池单体。对于锂电池的发热过程，模型需要确定的参数有生热率和热物性参数。由于电芯的内部实质上由多种材料组成，而电化学反应的过程也极其复杂，因此，需要对电池物理模型进行必要的简化，才能得到复杂程度和准确程度适当的上述两类模型参数。

简化热传递过程。在电芯内部，热传导是热量流动的主要方式，而辐射热占比极小，忽略不计；认为电池各项参数不跟随电池温度变化；在电池核心选择一个发热区域，认为这个区域是一个均匀的发热体。

根据热量的组成和简化条件建立锂电池模型函数：

公式前面3项是各方向上的导热系数与温度在这个方向上的二阶偏导数的乘积。第四项，是生热速率，等号右侧是电池密度、电池比热容与电池温度对时间的偏导数的乘积。其中生热率是需要确定的参数。

生热速率采纳的公式如下：

生热速率，与电池体积成反比，括号内部，前面一项是不可逆热，后面一项是可逆热。从公式可以看到，生热速率与众多电池参数以及环境温度有关，不是一个常数。但是，为了简化计算，在温度不变条件下，设定它只与电流值有关，电流值越大，生热速率越大。

材料的热特性参数，用查表方式取得。各个方向尺寸差异较大的电芯，每个方向上选取的导热系数也不相同。

最后，建立三维模型。电池本身是由正负极材料、铝质铜质集流体、镍带极耳等多种材料混杂在一起发挥作用，模型暂时不考虑这方面的影响，认为电芯内部材料是均匀一致的。发热的位置在电池的几何中心，热量以热传导的方式同等效的向四周扩散。模型的热分布状态是中心温度最高，距离中心越远，温度越低。方形电池的四个角温度最低。