Die Berechnung der Wärmeerzeugung von Lithiumbatterien ist ein wichtiger Bestandteil des Batterie-Wärmemanagements und umfasst mehrere Wärmequellen. Im Folgenden sind die detaillierten Berechnungsmethoden und -schritte aufgeführt:

1. Hauptwärmequelle
Die Wärmeentwicklung von Lithiumbatterien besteht hauptsächlich aus folgenden Teilen:
Joule-Wärme (Qj): Die Wärme, die entsteht, wenn Strom durch den Innenwiderstand einer Batterie fließt.
2. Reaktionswärme (Qr): Die durch eine elektrochemische Reaktion erzeugte Wärme.
3. Polarisationswärme (Qp): Die durch die Elektrodenpolarisation verursachte Wärme.
Nebenreaktionswärme (Qs): Die durch Nebenreaktionen (wie z. B. Elektrolytzersetzung) erzeugte Wärme.

2. Joule-Wärme (Qj
Joule-Wärme ist die Hauptquelle der Wärmeerzeugung in Lithiumbatterien. Die Berechnungsformel lautet:
Qj = I² ⋅ R ⋅ t
Qj: Joule-Wärme (J
I: Strom (A)
R: Innenwiderstand der Batterie (Ω)
t: Zeit (s)

3. Reaktionswärme (Qr)
Reaktionswärme ist die Wärme, die durch eine elektrochemische Reaktion erzeugt wird. Ihre Berechnungsformel lautet:
Qr =n⋅ΔH
Qr: Reaktionswärme (J)
n: Molzahl (mol) der reaktiven Substanz
ΔH: Enthalpieänderung der Reaktion (J/mol)

4. Polarisationswärme (Qp)
Polarisationswärme wird durch die Elektrodenpolarisation verursacht und die Berechnungsformel lautet:
Qp =I⋅η⋅t
Qp: Polarisationswärme (J)
I: Strom (A)
η : Überspannung (V)
t: Zeit (s)

5. Nebenreaktionswärme (Qs)
Die Wärme der Nebenreaktion ist normalerweise gering, kann aber unter Hochtemperatur- oder Überladungs-/Überentladungsbedingungen nicht vernachlässigt werden. Ihre Berechnung muss auf Grundlage der thermodynamischen Parameter der jeweiligen Nebenreaktionen erfolgen.

6. Gesamtbrennwert
Der Gesamtheizwert ist die Summe der Wärme der oben genannten Teile:
Qgesamt = Qj + Qr + Qp + Qs

7. Beispielrechnung
Hypothese:
Der Strom I=10A
Der Innenwiderstand der Batterie R=0,01Ω
Die Entladezeit t = 3600 Sekunden
Die Molzahl der reaktiven Substanz n=0,05mol
Die Enthalpieänderung der Reaktion ΔH= -100 kJ/mol
Überspannung η=0,1V
(1) Berechnen Sie die Joule-Wärme
Qj =I²⋅R⋅t=(10)²⋅0,01⋅3600=3600J
(2) Berechnen Sie die Reaktionswärme
Qr =n⋅ΔH=0,05⋅(-100 ×1000)= -5000 J
(Ein negativer Wert zeigt Wärmeabsorption an)
(3) Berechnen Sie die Polarisationswärme
Qp =I⋅η⋅t=10⋅0,1⋅3600=3600J
(4) Gesamtheizwert
Angenommen, die Wärme der Nebenreaktion Qs =0 (ignoriert):
Qgesamt = Qj + Qr + Qp = 3600 + (−5000) + 3600 = 2200 J

8. Einheitenumrechnung
1 J = 0,239 cal
1 Kal. = 4,184 J
Rechnen Sie beispielsweise den Gesamtbrennwert in Kalorien um:
Qgesamt =2200 × 0,239=525,8 kcal

9. Vorsichtsmaßnahmen
Schwankung des Innenwiderstands: Der Innenwiderstand der Batterie variiert je nach Faktoren wie Temperatur und Alterung und muss entsprechend der tatsächlichen Situation angepasst werden.
2. Wärmeableitungsbedingungen: Die tatsächliche Wärmeerzeugung wird durch die Wärmeableitungsbedingungen beeinflusst und muss in Kombination mit dem Wärmemanagementsystem analysiert werden.
3. Sekundärreaktionswärme: Bei hohen Temperaturen oder extremen Arbeitsbedingungen kann die Sekundärreaktionswärme erheblich ansteigen.

Zusammenfassung
Die Berechnung der Wärmeentwicklung von Lithiumbatterien umfasst Joule-Wärme, Reaktionswärme, Polarisationswärme und sekundäre Reaktionswärme. Mithilfe der obigen Formeln und Schritte lässt sich die von der Batterie während des Lade- und Entladevorgangs erzeugte Wärme abschätzen und so eine Grundlage für die Auslegung des Wärmemanagements schaffen.