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ROCKET 火箭铅酸电池运行过程中的热效应
2025-03-04
ROCKET 火箭铅酸电池在运行过程中的热事件起着重要作用;它们不仅影响正在发生的电化学反应的反应速率,而且还影响放电和自放电的速率、使用寿命,在关键情况下,甚至会造成电池的致命故障,即"热失控"。"这项贡献讨论了影响铅酸电池热状态的参数。通过计算和测量发现,铅酸蓄电池系统中存在由充电过程中的吸热放电反应和电解水引起的冷却成分,这与熵变化的作用有关。因此,在某些情况下,可以降低铅酸电池放电时的温度。由于电流流动、放热充电反应以及最重要的是,在充电过程中,随着电池电压的增加,极化的逐渐增加,使电池的内部电阻产生焦耳热,这一切都有助于电池的加热,超越了冷却效应。在这三种热源中,焦耳加热极化电阻对铅酸电池温度上升的贡献最大。因此,达到的最大电压决定了铅酸电池的温度上升斜率,通过适当选择的限制电压,可以限制"热失控"效应的危险。实验室的整体热条件受外界环境温度和热量计壁传热率的影响很大。在铅酸蓄电池内的一系列直接温度测量实验中,使用了由膨胀聚苯乙烯制成的热量计,以尽量减少外部影响。讨论了一种迄今未公布的现象,即在整个放电过程中,正电极的温度低于负电极的温度,而在充电过程中,顺序被逆转,正电极的温度高于负电极的温度。作者将这种现象与正电极的活性质量比负电极的反应熵变化有关。
关键词:
铅酸蓄电池 ; 热效应 ; 热行为 ; 吸热反应 ; 放热反应 ; 焦耳热 ; 冷却效果1. Introduction
本研究的目的是要研究一个不太受重视的事实,即在铅酸电池放电过程中,基于熵的现象会导致冷却效应,而这种效应可能不会直观地显现出来,因为由于电流流量大,通常会被焦耳加热所抵消。了解铅酸蓄电池的热平衡对于持续应用这一经过时间验证的电化学技术非常重要。储能研究目前受到高度重视和高度竞争的环境,在不同的应用方案上有所不同,从汽车SLI(起动、照明、点火)到日常使用的小型电力应用,到确保能源稳定和电网质量的大型电力应用[ 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 ]。铅酸电池(实验室)在电池市场上仍然发挥着重要作用,在资金上是在电力、寿命和循环管理中可回收能力方面的最佳折衷方案[ 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 ]。2019年,实验室占据了市场份额,估计占电池总市场的32.29%,预计到2030年将进一步增长5.2%。上述优势将继续促使实验室应用于主要汽车行业和低成本离网能源储存系统[ 13 , 14 ].
在实验室性能问题上,详细了解在实验室寿命和其他重要参数中起重要作用的热过程是很重要的。当超过临界值时,就会产生被称为热失控(TRA)的效应,最终导致实验室的破坏。实验室热失控与充电和放电过程中的体外和内热电化学反应以及非零电阻的实验室内部结构中的电流流动有关。同样重要的是要注意实验室各个部分的热容量和实验室与环境的热交换。
具有给定热容量的铅酸电化学电池可分为三个基本部分:热容量最高和热电导率较低的硫酸水溶液、热容量较低和热电导率较低的塑料电池组,以及实际电化学反应发生在活性质量/电解质界面的电极。由铅及其氧化物和硫酸盐制成的电极相对重,具有良好的导热性。它们的热容量非常低,因此,特别是与这些电极相比,硫酸溶液含量较低的AGM电池,在短时间内,加热到临界温度的速度可以更快。
特别是,铅酸电池充电过程中的温度上升,毫无疑问是一个令人担忧的问题,因为这一技术在实际中得到了应用,特别是在汽车工业中。然而,当许多电池被组合在一个堆栈中,以便在电动移动中进行能量储存和唯一推进时,这一问题就变得更为突出[ 15 ]。大量紧密包装的电池导致更难向周围环境传热,以及过热和热失控[ 16 , 17 ],令寿命、可靠性及安全性出现严重问题[ 18 ]。有趣的是,铅酸电池的热问题成为数学模拟的一个主题,也许是因为温度探测器在大型堆栈和敌对的化学环境中的物理存取十分复杂[ 19 , 20 ].
1995年,纽曼和蒂德曼[ 21 介绍了一种经典的方法,一种研究显示了电池内温度的持续上升。中国及白[ 22 , 23 为电池模拟发布了一个高效的电化学热模型。该模型专门针对锂离子电池,尽管它通常也可用于其他电池系统。然而,在铅酸电池中,有一种特殊的需要仔细处理,即硫酸电解质,它存在于电池中,以可变的数量存在,直接进入电化学反应的化学计量。这是通过数学建模完成的[ 24 , 25 , 26 也包括与其他研究的比较。布罗达和INZESTL研究了铅酸电池负电极和正电极的内阻增加和温度变化[ 27 ]。克日夫克致力于铅蓄电池的热事件[ 28 , 29 , 30 , 31 ]。在计算中,他使用了100%硫酸的热力学值。有了这些值,放电反应被错误地说成是放热的。在本文的后面,我们证明,更现实的30%质量的浓度将导致吸热值。该工作还缺少通过实际实验验证理论确定的数据.
这一贡献的目的,就其新颖性而言,是要更深入地了解铅酸电池的热过程的复杂程度,以及影响实验室电极温度的个体影响水平的定义。这里,我们指出其他作者的一些错误 28 , 29 , 30 , 31 , 32 ],特别是关于假设100%硫酸的热力学值的理论计算。结果表明,实际的酸浓度(30%质量)值产生不同的值,显著影响铅酸电池系统的整体热性能。与[ 28 , 29 , 30 , 31 ],我们通过与实际实验室的实际测量结果很好的一致性来确认理论计算的准确性。作为第一步,在理论计算和实际测量的基础上,我们认为,通过调整电荷/放电模式,可以在一定程度上影响实验室内发生的热过程的数量,从而影响实验室的温度,从而最大限度地减少风险。这项工作的目的是提出能影响实验室操作过程中内部温度的制度措施。
2.材料和方法
2.1.理论基础
在考虑可充电电池中的电和热时,一个好的开始点是热力学。确实,经典热力学定律适用于平衡状态,因此它们只能在电池充电和放电时作为引导,而这不是一个平衡过程。使用不依赖于反应路径的状态函数的热力学参数是有用的。它们只取决于产品和反应物值的差异,反应物是过程中的最终和初始组件。在我们看来,状态函数是反应的, H 它描述了在这个过程中释放的能量;吉布斯自由能, G ,它描述了能转化为有用的工作(电池中,能转化为电能)或能用于生成化合物的工作的最大化学能量;以及反应的熵, S ,描述与持续的化学(或电化学)反应相关的可逆增益或能量损失。从实际的角度来看,状态函数描述了性能的上限.随着反应的进行(在电池为电流流的情况下),动力学参数降低了这些上限[ 32 ]。另一个参数,是热, Q,与电化学过程有关。热量不是状态函数,因此释放或产生的热量将取决于电池充电或放电的方式。
上述三种国家职能之间的基本关系是:
Δ
ROCKET 火箭铅酸电池运行过程中的热效应
2025-03-04
ROCKET 火箭铅酸电池在运行过程中的热事件起着重要作用;它们不仅影响正在发生的电化学反应的反应速率,而且还影响放电和自放电的速率、使用寿命,在关键情况下,甚至会造成电池的致命故障,即"热失控"。"这项贡献讨论了影响铅酸电池热状态的参数。通过计算和测量发现,铅酸蓄电池系统中存在由充电过程中的吸热放电反应和电解水引起的冷却成分,这与熵变化的作用有关。因此,在某些情况下,可以降低铅酸电池放电时的温度。由于电流流动、放热充电反应以及最重要的是,在充电过程中,随着电池电压的增加,极化的逐渐增加,使电池的内部电阻产生焦耳热,这一切都有助于电池的加热,超越了冷却效应。在这三种热源中,焦耳加热极化电阻对铅酸电池温度上升的贡献最大。因此,达到的最大电压决定了铅酸电池的温度上升斜率,通过适当选择的限制电压,可以限制"热失控"效应的危险。实验室的整体热条件受外界环境温度和热量计壁传热率的影响很大。在铅酸蓄电池内的一系列直接温度测量实验中,使用了由膨胀聚苯乙烯制成的热量计,以尽量减少外部影响。讨论了一种迄今未公布的现象,即在整个放电过程中,正电极的温度低于负电极的温度,而在充电过程中,顺序被逆转,正电极的温度高于负电极的温度。作者将这种现象与正电极的活性质量比负电极的反应熵变化有关。
关键词:
铅酸蓄电池 ; 热效应 ; 热行为 ; 吸热反应 ; 放热反应 ; 焦耳热 ; 冷却效果1. Introduction
本研究的目的是要研究一个不太受重视的事实,即在铅酸电池放电过程中,基于熵的现象会导致冷却效应,而这种效应可能不会直观地显现出来,因为由于电流流量大,通常会被焦耳加热所抵消。了解铅酸蓄电池的热平衡对于持续应用这一经过时间验证的电化学技术非常重要。储能研究目前受到高度重视和高度竞争的环境,在不同的应用方案上有所不同,从汽车SLI(起动、照明、点火)到日常使用的小型电力应用,到确保能源稳定和电网质量的大型电力应用[ 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 ]。铅酸电池(实验室)在电池市场上仍然发挥着重要作用,在资金上是在电力、寿命和循环管理中可回收能力方面的最佳折衷方案[ 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 ]。2019年,实验室占据了市场份额,估计占电池总市场的32.29%,预计到2030年将进一步增长5.2%。上述优势将继续促使实验室应用于主要汽车行业和低成本离网能源储存系统[ 13 , 14 ].
在实验室性能问题上,详细了解在实验室寿命和其他重要参数中起重要作用的热过程是很重要的。当超过临界值时,就会产生被称为热失控(TRA)的效应,最终导致实验室的破坏。实验室热失控与充电和放电过程中的体外和内热电化学反应以及非零电阻的实验室内部结构中的电流流动有关。同样重要的是要注意实验室各个部分的热容量和实验室与环境的热交换。
具有给定热容量的铅酸电化学电池可分为三个基本部分:热容量最高和热电导率较低的硫酸水溶液、热容量较低和热电导率较低的塑料电池组,以及实际电化学反应发生在活性质量/电解质界面的电极。由铅及其氧化物和硫酸盐制成的电极相对重,具有良好的导热性。它们的热容量非常低,因此,特别是与这些电极相比,硫酸溶液含量较低的AGM电池,在短时间内,加热到临界温度的速度可以更快。
特别是,铅酸电池充电过程中的温度上升,毫无疑问是一个令人担忧的问题,因为这一技术在实际中得到了应用,特别是在汽车工业中。然而,当许多电池被组合在一个堆栈中,以便在电动移动中进行能量储存和唯一推进时,这一问题就变得更为突出[ 15 ]。大量紧密包装的电池导致更难向周围环境传热,以及过热和热失控[ 16 , 17 ],令寿命、可靠性及安全性出现严重问题[ 18 ]。有趣的是,铅酸电池的热问题成为数学模拟的一个主题,也许是因为温度探测器在大型堆栈和敌对的化学环境中的物理存取十分复杂[ 19 , 20 ].
1995年,纽曼和蒂德曼[ 21 介绍了一种经典的方法,一种研究显示了电池内温度的持续上升。中国及白[ 22 , 23 为电池模拟发布了一个高效的电化学热模型。该模型专门针对锂离子电池,尽管它通常也可用于其他电池系统。然而,在铅酸电池中,有一种特殊的需要仔细处理,即硫酸电解质,它存在于电池中,以可变的数量存在,直接进入电化学反应的化学计量。这是通过数学建模完成的[ 24 , 25 , 26 也包括与其他研究的比较。布罗达和INZESTL研究了铅酸电池负电极和正电极的内阻增加和温度变化[ 27 ]。克日夫克致力于铅蓄电池的热事件[ 28 , 29 , 30 , 31 ]。在计算中,他使用了100%硫酸的热力学值。有了这些值,放电反应被错误地说成是放热的。在本文的后面,我们证明,更现实的30%质量的浓度将导致吸热值。该工作还缺少通过实际实验验证理论确定的数据.
这一贡献的目的,就其新颖性而言,是要更深入地了解铅酸电池的热过程的复杂程度,以及影响实验室电极温度的个体影响水平的定义。这里,我们指出其他作者的一些错误 28 , 29 , 30 , 31 , 32 ],特别是关于假设100%硫酸的热力学值的理论计算。结果表明,实际的酸浓度(30%质量)值产生不同的值,显著影响铅酸电池系统的整体热性能。与[ 28 , 29 , 30 , 31 ],我们通过与实际实验室的实际测量结果很好的一致性来确认理论计算的准确性。作为第一步,在理论计算和实际测量的基础上,我们认为,通过调整电荷/放电模式,可以在一定程度上影响实验室内发生的热过程的数量,从而影响实验室的温度,从而最大限度地减少风险。这项工作的目的是提出能影响实验室操作过程中内部温度的制度措施。
2.材料和方法
2.1.理论基础
在考虑可充电电池中的电和热时,一个好的开始点是热力学。确实,经典热力学定律适用于平衡状态,因此它们只能在电池充电和放电时作为引导,而这不是一个平衡过程。使用不依赖于反应路径的状态函数的热力学参数是有用的。它们只取决于产品和反应物值的差异,反应物是过程中的最终和初始组件。在我们看来,状态函数是反应的, H 它描述了在这个过程中释放的能量;吉布斯自由能, G ,它描述了能转化为有用的工作(电池中,能转化为电能)或能用于生成化合物的工作的最大化学能量;以及反应的熵, S ,描述与持续的化学(或电化学)反应相关的可逆增益或能量损失。从实际的角度来看,状态函数描述了性能的上限.随着反应的进行(在电池为电流流的情况下),动力学参数降低了这些上限[ 32 ]。另一个参数,是热, Q,与电化学过程有关。热量不是状态函数,因此释放或产生的热量将取决于电池充电或放电的方式。
上述三种国家职能之间的基本关系是:
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