動力電池熱失控防護分析研究

夏德行　姬留新　彭雨婷

摘 要：安全一直是人們關注的重點，尤其在電動汽車領域。文章主要介紹了電動汽車動力電池系統(tǒng)熱失控的發(fā)展背景、發(fā)展過程，對汽車電池熱失控情況進行具體的分析和研究，對熱失控產(chǎn)生的原因進行整理、總結(jié)并做出分析，最終得出一系列熱失控預防策略和措施。

關鍵詞：熱失控;動力電池;電動汽車

1 ? ?預防電池熱失控方面的相關研究較少

隨著電動汽車快速發(fā)展及應用，電動汽車動力電池火災的案例逐漸增多，主要原因是電池熱失控。因此，國內(nèi)學者對模擬電池熱失控的現(xiàn)象、內(nèi)阻變化的熱失控以及滅火劑對鋰電池火災的影響進行了分析、研究，并取得了顯著的成果。但是，對于預防電池熱失控的研究不多，所以本課題將圍繞熱失控的預防研究方面進行探討、分析。

2 ? ?熱失控研究現(xiàn)狀

近年來，由于動力電池頻繁起火，其已經(jīng)成為當前汽車安全的首要問題，越來越多的國內(nèi)外學者對電池熱失控的誘因及影響進行了深刻的研究。

彭鵬等建立鋰離子動力電池熱箱數(shù)學模型，分析在不同溫度條件下熱箱的熱濫用情況和處于電池不同位置的熱濫用反應與熱行為，結(jié)果表明：在高溫條件下，電池發(fā)生熱失控的主要原因是正極材料與電解液之間的化學反應;除此之外，也發(fā)現(xiàn)不同的散熱條件與環(huán)境周圍溫度對電池熱失控的產(chǎn)生有著重要影響。

加拿大卡爾頓大學的Rui等對短路的鋰離子動力電池進行模擬仿真實驗。結(jié)果表明：在外短路情況下，小尺寸電池的內(nèi)阻更大，電池發(fā)生短路失效的可能性更大。容量大的電池，內(nèi)部短路引發(fā)電池失效的可能性更高。

Ohsaki對充電的鋰離子電池進行研究，對充電過程中產(chǎn)生的氣體進行分析，最終發(fā)現(xiàn)充電時電池會產(chǎn)生一些氣體，而氣體的量與電池溫度有關，溫度越高，氣體的量越多，而且氣體的量在最后一段時間內(nèi)有明顯增加[1]。除此之外，電池溫度達到60 ℃后，電池的陰極發(fā)生氧化反應，陰極產(chǎn)生的CO2的量有明顯增加，而且氧化反應放出熱量，最終導致電池的熱失控。通過對比實驗，學者改變了電解液的數(shù)量，當沒有電解液時，電池未有熱失控的現(xiàn)象，實驗表明：電池產(chǎn)生熱失控的原因是電池的陰極和電解質(zhì)溶劑之間的化學反應。

3 ? ?過程探討分析

動力電池的熱失控一般包括誘因、發(fā)生、蔓延3個過程，對此，可以進行熱失控的原因分析。

3.1 ?誘因

在電動汽車的使用過程中，往往會發(fā)生碰撞、意外針刺、撞擊等情況，一般來說，物理原因會使電動汽車的電池的內(nèi)部結(jié)構發(fā)生變化，從而降低動力電池的安全性和穩(wěn)定性，當溫度升高或者電池內(nèi)部發(fā)生短路時，就有電火花產(chǎn)生而引起爆炸。另外，動力電池的使用不當也是電池發(fā)生熱失控的誘因之一，例如過充電、充電不當?shù)?，都會使電池產(chǎn)生缺陷、析鋰、膨脹收縮等問題，在電池放電過程中就會發(fā)生腐蝕，之后電池工作時內(nèi)部結(jié)構就會產(chǎn)生結(jié)晶。

3.2 ?發(fā)生

電池內(nèi)部的電解液是電池發(fā)生熱失控的原因之一，當電池處于工作狀態(tài)時，電池的正極與電解液接觸發(fā)生氧化反應，放出熱量，并產(chǎn)生大量CO2，氧化反應放出的熱量導致動力電池的熱失控發(fā)生。當電池的熱失控發(fā)生時，電動汽車動力電池內(nèi)部體系散熱速率與產(chǎn)熱速率不平衡，電池引發(fā)熱失控的可能性更大。

3.3 ?蔓延

在電池受到溫度影響的情況下，也會產(chǎn)生熱量，在反應初期，放出的熱量不多，中期熱量增多，導致電池溫度升高。如果動力電池的散熱能力不強，就會發(fā)生熱鏈式反應，引起熱失控。此外，熱失控還會在電池工作的情況下向外發(fā)生熱擴展的現(xiàn)象，循環(huán)往復，動力電池就會急劇老化，減少使用壽命，導致動力電池析鋰的現(xiàn)象增多，最終使電池的穩(wěn)定性和安全性下降，產(chǎn)生熱失控。

4 ? ?實驗準備—建立鋰電池單體模型

實驗采用18650型鋰電池，額定電壓4.2 V，額定容量2 600 mAh，其單體由正極集流體、正極、隔膜、負極和負極集流體5個部分組成。

副反應熱源方程。參考KIM G等[2]對三維電池熱濫用模型驗證和總結(jié)得出的副反應熱源方程，將副反應方程模塊分解，改變環(huán)境溫度加熱電池，分析、觀察電池的溫度變化。其中，副反應方程分為以下部分：

（1）固液膜分解反應，主要發(fā)生在負極和電解液之間，產(chǎn)生大量的固液膜的分解反應熱Qsei，是熱量的主要來源。

（2）負極與電解反應，當發(fā)生化學反應時，負極中嵌入的鋰離子與電解液直接反應，放出負極與電解液的反應熱Qne。

（3）正極材料與電解液反應，也是放熱反應，會產(chǎn)生正極與電解液的反應熱，但是產(chǎn)生的熱量對發(fā)生熱失控的影響不大。

（4）電解液分解反應，電解液開始分解，主要集中在分隔膜區(qū)，放出大量的電解液分解反應熱Qe。

5 ? ?不同環(huán)境溫度下的電池內(nèi)部溫度情況分析與討論

在傳熱系數(shù)不變的情況下，分析鋰電池在350 K和448 K的環(huán)境溫度下電池內(nèi)部溫度的變化情況。通過觀察、分析可以發(fā)現(xiàn)，當環(huán)境溫度為350 K時，電池內(nèi)部溫度變化不明顯，并逐漸在10 000 s左右趨于穩(wěn)定。當環(huán)境溫度為448 K時，電池的內(nèi)部溫度變化劇烈，最終發(fā)生熱失控。結(jié)果表明：環(huán)境溫度越高，發(fā)生熱失控的可能性更大。通過實驗可知，由于電池環(huán)境溫度升高而發(fā)生了內(nèi)部副反應，放出大量的熱。根據(jù)上述兩種情況，進一步分析電池副反應的機理，如圖1所示。

觀察可知，電池內(nèi)部正在經(jīng)歷副反應過程：先發(fā)生了固液膜的分解反應，隨著時間的增多，即電池內(nèi)部溫度上升到一定的程度時，反應就到了固液膜分解的臨界點。由于固液膜反應產(chǎn)生了大量的熱，使電池溫度升高，并且加快了負極和電解液的反應，而負極和電解液之間的反應同樣也會產(chǎn)生熱量，促進溫度加快升高，當溫度到達一定數(shù)值時，電池內(nèi)部就會逐步引發(fā)其他副反應。

由圖1可知，電池內(nèi)部的熱量大多數(shù)都是固液膜的分解反應熱，時間越來越長，電池內(nèi)部的負極與電解液的反應熱越來越多，而正極和電解液的反應熱與電解液分解反應熱因內(nèi)部溫度沒有達到發(fā)生反應的臨界溫度而基本保持不變，趨近于零。

電池內(nèi)部的副反應全部發(fā)生，首先，發(fā)生固液膜的分解反應放出熱量，促使電解液的反應熱上升且達到最大，負極與電解液的反應熱也隨之急劇變化;其次，固液膜分解反應產(chǎn)生的熱量隨時間的增加先增加后減少，原因是電解液的反應熱使溫度升高，是引發(fā)電池熱失控的根源。

反觀電解液分解熱，由于還沒有達到溫度臨界值，與其他3種比較而言，放熱量較小，可以不考慮，在圖1中數(shù)值位于0附近，但并不等于0。所以，需要合理選取熱穩(wěn)定的正極材料，避免和減少電池熱失控的問題，同時，要避免電池在高溫環(huán)境下工作，設計合理的預防措施，對電池進行冷卻等。

6 ? ?預防與策略

熱失控的預防在當今動力電池研究中是具有特色的一個領域，可以通過以下4個方面進行熱失控的預防。

6.1 ?加強電池測試

在動力電池的產(chǎn)熱、散熱過程中，應做好防護，避免熱失控的情況發(fā)生，例如，可以優(yōu)化電池內(nèi)部安全設計、散熱設計，提高電池的制造工藝水平，防止末期的汽車動力電池發(fā)生熱鏈式反應，確保電池充電放電過程中的使用安全性，防止電池內(nèi)部發(fā)生熱蔓延和短路等現(xiàn)象，進而提高動力電池的使用性能。

6.2 ?重視電池預警

動力電池發(fā)生熱失控在很多情況下是可以提前發(fā)現(xiàn)的，在事故發(fā)生之前，電池也會發(fā)出一些預警，電池的熱失控存在一些可控的細節(jié)。經(jīng)常對動力電池進行核查，將變形的電池及早發(fā)現(xiàn)并排除，例如，采用新短路出發(fā)元件檢查短路發(fā)生的過程，使用動力電池時，要合理放電和充電，拒絕過放、過充，避免電池變形等問題發(fā)生。

6.3 ?優(yōu)化內(nèi)部設計

預防熱失控可以在動力電池的設計方面進行改造。由于溫度的變化對電池的影響比較大，所以，可以通過提高電池的抑熱性來改變動力電池系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性。例如，可以在原有的系統(tǒng)中增加熱失控抑制系統(tǒng)和正負極的熱穩(wěn)定性，使用難于和陰極進行反應的材料，預防接觸性熱失控的發(fā)生。

6.4 ?改善添加劑

功能添加劑是熱失控預防的極大特色。一般來說，動力電池的電解液絕大部分是由鹽和有機溶劑組成的混合液，因此，可以在混合液中加入一些功能添加劑。功能添加劑具有用量少、針對性強的優(yōu)點，在經(jīng)濟合理性方面有著極大的優(yōu)勢，因此，功能添加劑成為現(xiàn)代新能源汽車動力電池領域一個研究熱點，是解決目前動力電池熱失控問題最有希望的辦法之一，添加劑的設計也是必不可少的一個措施。

7 ? ?結(jié)語

本文主要從動力電池熱失控的發(fā)展背景、研究現(xiàn)狀、原因和預防等方面介紹了電動汽車動力電池的熱失控，探討了電動汽車熱失控發(fā)生的多種影響因素：動力電池的熱穩(wěn)定性會隨著充電解液的溶液、電池短路、環(huán)境溫度、電池老化和電池散熱能力的變化而變化。當電動汽車動力電池熱失控發(fā)生時，電池內(nèi)部材料會逐漸發(fā)生一些化學反應，大部分為放熱過程，導致電池內(nèi)部溫度升高。同時，對鋰離子單體電池進行模擬，分析不同環(huán)境溫度工況下鋰離子電池的溫度變化以及內(nèi)部副反應熱量生成機理，分析不同對流傳熱系數(shù)對溫度變化的影響。因此，改善鋰電池的工作環(huán)境、設計合理的冷卻裝置，對提高鋰離子熱安全性具有至關重要的作用。

[參考文獻]

[1]歐陽明高.如何做好動力電池熱失控的安全防控[J].汽車縱橫，2019（7）：20-23.

[2]KIM G，PESARAN A，SPOTNITZ R.A three-dimensional thermal abuse model for lithium-ioncells[J].Power Sources，2007（2）：476-489.

[3]黃文才，胡廣地，張琦.鋰離子電池高溫熱模擬及熱行為[J].電池，2018（6）：410-413.

基金項目：第18批大學生科研課題立項一般項目（Y18A119）

作者簡介：夏德行（1999— ），男，漢族，江蘇連云港人，本科生;研究方向：車輛工程（中美交流項目）。