基于COMSOL的鋰離子電池?zé)崾Э胤抡媾c防控*

楊夢(mèng)華，岳麗宏

基于COMSOL的鋰離子電池?zé)崾Э胤抡媾c防控*

楊夢(mèng)華，岳麗宏?

（青島理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東 青島 266520）

動(dòng)力電池是新能源汽車關(guān)鍵部件，為進(jìn)一步探究其熱失控機(jī)理及影響因素，總結(jié)熱失控發(fā)展過(guò)程，利用COMSOL軟件構(gòu)建鋰離子電池單體模型，結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果詳細(xì)分析其影響因素，并提出一款利用隔熱罩、隔熱蓋板、隔熱底座和可滑動(dòng)擴(kuò)容盒延緩熱失控效果的可延緩熱失控的汽車電池包。研究結(jié)果表明：熱失控過(guò)程大致分為加熱階段、噴射和燃燒階段、熄滅階段，受4種副反應(yīng)產(chǎn)熱影響；在超過(guò)445.08 K的高溫環(huán)境下，長(zhǎng)時(shí)間工作的鋰離子電池易發(fā)生熱失控，失控?zé)嵩搓P(guān)鍵在正極活性材料與電解液分解反應(yīng)；當(dāng)電池實(shí)際溫度超過(guò)500 K時(shí)，溫度若無(wú)法及時(shí)控制將導(dǎo)致火災(zāi)事故發(fā)生；同時(shí)，對(duì)流傳熱系數(shù)越高，電池溫度變化越快；初始溫度越高，熱失控可能性越大。

鋰離子電池；熱失控；COMSOL；安全防控

0 引 言

隨著綠色低碳發(fā)展推進(jìn)，國(guó)務(wù)院提出大力發(fā)展新能源汽車產(chǎn)業(yè)，促進(jìn)新經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展。雖然鋰離子電池發(fā)展迅速、應(yīng)用廣泛，但若發(fā)生安全問(wèn)題，后果十分嚴(yán)重。新能源汽車在充電過(guò)程中易因電池內(nèi)部熱失控造成爆炸起火事故，相較傳統(tǒng)燃油汽車，新能源汽車電池部件更易受損，因此明確其安全工作條件尤為重要。動(dòng)力電池作為新能源汽車的關(guān)鍵部件，其安全運(yùn)行是人們關(guān)注的重點(diǎn)，因熱失控引起的動(dòng)力電池火災(zāi)、爆炸等安全事故成為新的風(fēng)險(xiǎn)因素。

自WANG等[1]利用實(shí)驗(yàn)證明鋰離子電池的安全問(wèn)題主要與其熱失控相關(guān)，諸多學(xué)者從單體電池的火災(zāi)危險(xiǎn)性及其火災(zāi)蔓延過(guò)程展開(kāi)分析研究。陳吉清等[2]研究在過(guò)充、過(guò)熱、內(nèi)短路等極端情況下動(dòng)力電池溫度和電壓變化情況。杜光超等[3]總結(jié)不同荷電狀態(tài)（state of charge, SOC）下鋰離子電池?zé)崾Э貐?shù)變化規(guī)律。目前利用仿真軟件實(shí)驗(yàn)已成為深入研究鋰離子電池理化性質(zhì)的重要手段之一[4-5]。尤其是對(duì)其熱失控過(guò)程的模擬，不僅可以得到實(shí)驗(yàn)難以重復(fù)或表征的內(nèi)部現(xiàn)象，而且便于揭示電池產(chǎn)熱產(chǎn)氣機(jī)理，分析影響熱失控的主要因素，達(dá)到預(yù)測(cè)電池?zé)嵝袨榈哪康腫6-7]。劉得星[8]利用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬（fire dynamics simulator, FDS）軟件構(gòu)建鋰離子電池火災(zāi)模型，模擬其火災(zāi)發(fā)生及滅火過(guò)程。YAMAUCHI等[9]針對(duì)鋰電池建立模型，計(jì)算電池在充放電時(shí)內(nèi)部短路時(shí)的溫度變化。WU等[10]利用均勻內(nèi)熱源模型，模擬電池在不同換熱條件下電池發(fā)熱情況。嚴(yán)剛等[11]和李頂根等[12]采用分環(huán)測(cè)溫法分析了整體電池模型熱失控的分布特征。

現(xiàn)有研究往往集中于火災(zāi)發(fā)展過(guò)程，構(gòu)建模型較為簡(jiǎn)單，極少考慮電池實(shí)際分層情況，且并沒(méi)有從本質(zhì)安全化的角度進(jìn)行預(yù)防。本文基于前人的研究結(jié)果，明確熱失控發(fā)展機(jī)理，利用COMSOL模擬軟件構(gòu)建鋰離子電池單體模型，進(jìn)一步探究鋰離子電池?zé)崾Э匕l(fā)生過(guò)程及其影響因素，結(jié)合分析結(jié)果進(jìn)行裝置設(shè)計(jì)，為新能源汽車熱安全事故預(yù)防提供參考。

1 熱失控機(jī)理

1.1 熱失控發(fā)展過(guò)程

鋰離子電池?zé)崾Э卮笾驴煞譃槿A段，即加熱階段、噴射和燃燒階段、熄滅階段[13]。加熱階段過(guò)程中，隨著輻射加熱時(shí)間的增加，鋰離子電池的表面溫度升高，電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)積累了大量氣體和熱量。由于鋰離子外殼為鋼殼，幾乎不會(huì)發(fā)生膨脹等體積變化。當(dāng)電池內(nèi)部壓力達(dá)到安全閥耐壓極限時(shí)發(fā)生破裂，釋放可燃性氣體等使得電池由“封閉系統(tǒng)”變?yōu)椤伴_(kāi)放系統(tǒng)”，加速金屬鋰、電解液等副反應(yīng)，進(jìn)而加速溫度上升。

噴射和燃燒階段過(guò)程中，隨著電池副反應(yīng)的進(jìn)行，電池溫度持續(xù)上升，積累的能量和氣體增多，達(dá)到噴射壓力時(shí)，電解液分解的大量氣溶膠霧滴將會(huì)被噴射出并形成白色煙霧。并且SOC越大會(huì)使得電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)越劇烈，內(nèi)部的非易燃性物質(zhì)將隨氣溶膠霧滴一起噴出形成白色火花。這類白色煙霧能夠在釋放瞬間被點(diǎn)燃，發(fā)生燃燒爆炸等安全事故。

熄滅階段過(guò)程中，隨著電池燃燒的進(jìn)行，可燃性氣體不斷被消耗，燃燒火焰將逐漸減弱至最終熄滅。具體鋰離子電池?zé)崾Э匕l(fā)展過(guò)程詳見(jiàn)圖1所示。

圖1 鋰離子電池?zé)崾Э匕l(fā)展示意圖

1.2 熱失控產(chǎn)熱機(jī)理

在鋰離子電池發(fā)生熱失控時(shí)，因副反應(yīng)產(chǎn)生大量熱，內(nèi)部材料快速分解，各部分反應(yīng)加劇，進(jìn)而導(dǎo)致電池溫度持續(xù)上升。其中副反應(yīng)主要包括四部分內(nèi)容，具體如下。

（1）固體電解質(zhì)界面膜分解反應(yīng)

式中：sei為亞穩(wěn)態(tài)下固體電解質(zhì)界面（solid electrolyte interphase, SEI）膜的無(wú)量綱量；sei為SEI膜分解的反應(yīng)參數(shù)；sei為SEI膜分解反應(yīng)的頻率因子；a,sei為SEI膜分解反應(yīng)的反應(yīng)活化能；sei為SEI膜的分解生熱率；sei為SEI膜分解反應(yīng)的單位體積碳含量。

（2）負(fù)極與電解液反應(yīng)

式中：neg為負(fù)極碳層鋰離子含量的無(wú)量綱量；neg為負(fù)極與電解液反應(yīng)的反應(yīng)參數(shù)；neg為負(fù)極與電解液反應(yīng)的頻率因子；a,neg為負(fù)極與電解液反應(yīng)的反應(yīng)活化能；neg為負(fù)極與電解液反應(yīng)的反應(yīng)生熱率；neg為負(fù)極與電解液反應(yīng)的單位體積碳含量。

（3）正極與電解液反應(yīng)

式中：為正極材料中參與反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率；pos為正極與電解液反應(yīng)的反應(yīng)參數(shù)；pos為正極與電解液反應(yīng)的頻率因子；a,pos為正極與電解液反應(yīng)的反應(yīng)活化能；pos為正極與電解液反應(yīng)的反應(yīng)生熱率；pos為正極與電解液反應(yīng)的單位體積正極活性材料含量。

（4）電解質(zhì)分解反應(yīng)

式中：ele為電解液中電解質(zhì)濃度的無(wú)量綱量；ele為電解質(zhì)分解反應(yīng)的反應(yīng)參數(shù)；ele為電解質(zhì)分解反應(yīng)的頻率因子；a,ele為電解質(zhì)分解反應(yīng)的反應(yīng)活化能；ele為電解質(zhì)分解反應(yīng)的反應(yīng)生熱率；ele為電解質(zhì)分解反應(yīng)的單位體積電解質(zhì)含量。

2 模型構(gòu)建

2.1 幾何模型構(gòu)建

對(duì)三元鋰電池18650進(jìn)行拆解和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，獲取幾何尺寸、熱物性參數(shù)等物理參數(shù)，利用COMSOL軟件構(gòu)建鋰離子電池18650單體模型。具體幾何模型如圖2所示，結(jié)合數(shù)據(jù)獲取情況輸入?yún)?shù)值，使之與實(shí)際鋰電池變化相貼合，其中充放電截止電壓為4.2V/3.2V，詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1和表2。

圖2 鋰離子電池幾何模型

表1 電化學(xué)反應(yīng)參數(shù)值

表2 材料熱物性參數(shù)值

2.2 熱失控模型構(gòu)建

結(jié)合上述熱失控機(jī)理分析，構(gòu)建熱失控模型，依據(jù)鋰離子電池實(shí)際狀況，設(shè)置副反應(yīng)參數(shù)值，詳見(jiàn)表3所示。

表3 副反應(yīng)參數(shù)值

3 仿真實(shí)驗(yàn)分析

3.1 電化學(xué)性能分析

對(duì)單體模型進(jìn)行電化學(xué)性能模擬，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度一致。1 C充放電循環(huán)中端電壓和電流隨時(shí)間的變化情況如圖3所示。在恒流充電過(guò)程中，電池的端電壓最高上升到4.06 V，在充電初期電壓上升速率較快，此時(shí)正負(fù)極活性材料的平衡電位主要受SOC變化影響。在恒壓充電過(guò)程中，電池電量依舊會(huì)逐漸上升。隨后擱置過(guò)程中，電池端電壓會(huì)有所下降，由于電池內(nèi)部存在的鋰濃度梯度會(huì)隨擱置發(fā)生擴(kuò)散，緩解了電池內(nèi)部極化。在恒流放電過(guò)程中，電池的端電壓下降到3.51 V。隨后擱置過(guò)程中，端電壓會(huì)有所上升。

1 C充放電循環(huán)中電池溫度變化情況如圖4所示，圖中溫度表示為電池內(nèi)部電芯截面平均、最高、最低溫度。在恒流充電過(guò)程中，由于電池內(nèi)部產(chǎn)熱遠(yuǎn)高于表面散熱，電池溫度逐漸升高。恒壓充電過(guò)程中，電池持續(xù)充入電量，但各測(cè)點(diǎn)溫度有所下降，因?yàn)榇藭r(shí)充入電量較少，內(nèi)部產(chǎn)熱低于表面散熱。恒流放電過(guò)程中，電池溫度迅速升高。隨后擱置過(guò)程中，電池溫度持續(xù)下降。

圖3 1 C充放電循環(huán)中電池端電壓和電流變化曲線

圖4 1 C充放電循環(huán)中電池溫度變化曲線

3.2 熱性能分析

對(duì)單體模型進(jìn)行熱性能模擬，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度一致。在不同充電時(shí)刻，單體模型截面溫度分布如圖5所示。充電期間最高溫度出現(xiàn)在正負(fù)極表面，充電末期最高溫度出現(xiàn)在電芯中心區(qū)域。隨著充電過(guò)程進(jìn)行，電池溫度緩慢上升，且電池內(nèi)部溫度始終高于表面溫度。

在293.15 K環(huán)境下，電池單體最高溫度約為309.84 K，充電末期電池最大溫差約為0.89 K（在5 K以內(nèi)），可認(rèn)為在當(dāng)前充電倍率與換熱條件下電池具有較好的溫度一致性。為保持良好的充放電性能，鋰電池最佳工作溫度范圍為293.15 K ～ 313.15 K[14]。充電末期，電芯內(nèi)部溫度明顯高于表面溫度，尤其是中心區(qū)域溫度最高，因?yàn)榇藭r(shí)表面對(duì)流換熱，熱量能夠及時(shí)與外界環(huán)境進(jìn)行交換，而內(nèi)部熱傳遞換熱，熱量無(wú)法及時(shí)散出。

圖5 充電期間單體模型界面溫度變化

3.3 熱失控影響因素分析

3.3.1 環(huán)境溫度影響分析

設(shè)定域微分方程，保持電池初始溫度273.15 K不變，在恒定熱對(duì)流系數(shù)= 5 W/(m2·K)[15]條件下進(jìn)行加熱實(shí)驗(yàn)。將電池分別置于低溫、高溫環(huán)境下進(jìn)行加熱，其中低溫為213.15K、233.15K、253.15K、273.15 K，高溫為333.15 K、393.15 K、413.15 K、453.15 K、473.15 K、513.15 K。當(dāng)電池在環(huán)境溫度為453.15 K、473.15 K、513.15 K下會(huì)發(fā)生熱失控，分別在2 060 s、1 660 s、1 170 s左右達(dá)到713.15 K后，鋰離子電池內(nèi)部發(fā)生劇烈副反應(yīng)，釋放大量熱導(dǎo)致電池溫度瞬間升高。當(dāng)電池處于其他環(huán)境溫度下，幾乎均在5 000 s左右趨于穩(wěn)定狀態(tài)。具體溫度變化如圖6所示。

部分高溫環(huán)境下電池內(nèi)部各組分成分變化如圖7所示。當(dāng)鋰離子電池達(dá)到一定溫度時(shí)，內(nèi)部副反應(yīng)依次發(fā)生，其中SEI膜分解反應(yīng)最先發(fā)生，產(chǎn)生大量熱促使電池溫度進(jìn)一步上升，達(dá)到一定溫度時(shí)負(fù)極活性材料與電解液發(fā)生反應(yīng)。若此時(shí)副反應(yīng)所釋放的熱未達(dá)到正極活性材料與電解液反應(yīng)的溫度臨界點(diǎn)，電池溫度會(huì)出現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，在SEI膜與負(fù)極活性材料反應(yīng)結(jié)束后，溫度逐漸趨于穩(wěn)定。圖7a所示為413.15 K環(huán)境溫度下電池溫度變化。若此時(shí)副反應(yīng)所釋放的熱達(dá)到正極活性材料與電解液反應(yīng)的溫度臨界點(diǎn)，則副反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，此時(shí)釋放的熱量數(shù)值高于其他副反應(yīng)至少1個(gè)數(shù)量級(jí)，溫度迅速上升，電解液與黏結(jié)劑發(fā)生分解，當(dāng)電池溫度達(dá)到773.15 K時(shí)，電池溫度將處于不可控狀態(tài)。

通過(guò)分析可知，鋰離子電池?zé)崾Э氐臒崃恐饕獊?lái)源于電池材料間副反應(yīng)的發(fā)生，正極活性材料與電解液的反應(yīng)是否發(fā)生將是導(dǎo)致熱失控的重要節(jié)點(diǎn)，因此選取有效正極材料避免其與電解液發(fā)生副反應(yīng)，將可大大減少電池?zé)岚踩鹿实陌l(fā)生。

對(duì)比不同溫度發(fā)現(xiàn)，當(dāng)環(huán)境溫度越高，副反應(yīng)越劇烈，產(chǎn)生熱量速率越快，發(fā)生熱失控時(shí)間越早。通過(guò)進(jìn)一步模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，熱失控臨界環(huán)境溫度為445.08 K，當(dāng)電池內(nèi)部最高溫度達(dá)到臨界溫度時(shí)，導(dǎo)致熱失控的副反應(yīng)將無(wú)法自動(dòng)終止。因此應(yīng)盡量避免鋰離子電池在高溫環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間工作，同時(shí)應(yīng)設(shè)計(jì)并采取有效的熱管理措施。

3.3.2 傳熱系數(shù)影響分析

外界通過(guò)對(duì)流傳熱系數(shù)將熱量傳遞給電池，進(jìn)而電池內(nèi)部材料受熱發(fā)生反應(yīng)，熱量傳遞不僅受環(huán)境溫度的影響，還受傳熱系數(shù)的影響。為進(jìn)一步探究傳熱系數(shù)對(duì)電池?zé)崾Э氐挠绊懀M在相同環(huán)境溫度下不同的對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)電池溫度的影響，將電池分別處于低溫（213.15 K）和高溫（413.15 K、513.15 K）環(huán)境下，在傳熱系數(shù)分別為5 W/(m2·K)、10 W/(m2·K)、20 W/(m2·K)、50 W/(m2·K)的狀態(tài)下觀察電池溫度變化情況。如圖8a、圖8b所示，若電池不會(huì)發(fā)生熱失控，則在低溫和高溫環(huán)境下均表現(xiàn)為，對(duì)流傳熱系數(shù)越大，電池溫度變化越急劇，達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間越早。

若電池一定會(huì)發(fā)生熱失控，則傳熱系數(shù)越大電池?zé)崾Э匕l(fā)生時(shí)間越早，電池溫度變化如圖8c所示。當(dāng)分別為5 W/(m2·K)、10 W/(m2·K)、20 W/(m2·K)、50 W/(m2·K)時(shí)，電池分別在1 180 s、680 s、380 s、180 s左右發(fā)生熱失控。該模擬實(shí)驗(yàn)反映了電池在高溫環(huán)境下發(fā)生熱失控的時(shí)間先后受對(duì)流傳熱系數(shù)大小的影響，因此電池在高溫環(huán)境下工作要及時(shí)采取散熱冷卻措施，防止熱量積累。

圖8 不同傳熱系數(shù)下電池溫度變化曲線：（a）環(huán)境溫度為213.15 K；（b）環(huán)境溫度為413.15 K；（c）環(huán)境溫度為513.15 K

3.3.3 電池不同初始溫度模擬

通過(guò)上述模擬實(shí)驗(yàn)可知，在413.15 K環(huán)境溫度下電池不會(huì)發(fā)生熱失控，但在453.15 K環(huán)境溫度下電池會(huì)發(fā)生熱失控，并且發(fā)現(xiàn)熱失控臨界溫度為445.08 K。為研究電池本身溫度是否會(huì)影響熱失控的發(fā)生，模擬了在失控臨界溫度445.08 K下，電池不同初始溫度對(duì)整體溫度變化的影響。在維持傳熱系數(shù)為5 W/(m2·K)的狀態(tài)下，分別設(shè)定電池初始溫度為273.15 K、293.15 K、313.15 K進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，電池溫度變化如圖9所示。當(dāng)初始溫度為273.15 K時(shí)，電池不發(fā)生熱失控，溫度先升高后緩慢下降，最終逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)初始溫度為293.15 K時(shí)，電池于2 740 s左右發(fā)生熱失控，當(dāng)初始溫度為313.15 K時(shí)，電池于2 500 s左右發(fā)生熱失控，可見(jiàn)熱失控時(shí)間隨初始溫度的升高而縮短。電池初始溫度越高，內(nèi)部副反應(yīng)越易受外界溫度刺激而改變，因此要及時(shí)采取有效措施控制電池溫度，防止自身溫度過(guò)高。

圖9 不同初始溫度下電池溫度變化曲線

通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)可知，鋰離子電池在高溫環(huán)境下工作有發(fā)生熱失控危險(xiǎn)的可能，因此需要采取相應(yīng)措施加以預(yù)防控制。避免電池長(zhǎng)時(shí)間在高溫環(huán)境下工作，改進(jìn)電池自身工藝技術(shù)，采用耐性較好的正極活性材料和電解液，采取合理的散熱方式，優(yōu)化電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。

4 可延緩熱失控裝置設(shè)計(jì)

當(dāng)動(dòng)力電池發(fā)生熱失控時(shí)，利用電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)監(jiān)控冷卻的同時(shí)，使用隔熱罩延緩其熱量擴(kuò)散。但隔熱罩內(nèi)部空間有限，內(nèi)部壓力會(huì)隨產(chǎn)熱增加而升高，受損速度較快，延緩效果較差。因此針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，結(jié)合動(dòng)力電池?zé)崾Э剡^(guò)程及影響因素，設(shè)計(jì)一種能夠延緩熱失控的汽車電池包。

具體設(shè)計(jì)內(nèi)容如圖10所示。將動(dòng)力電池安裝在隔熱罩內(nèi)部，隔熱罩底部連接隔熱底座，側(cè)面通過(guò)螺絲安裝隔熱蓋板，隔熱底座下表面連接擴(kuò)容盒，擴(kuò)容盒內(nèi)滑動(dòng)安裝分隔板，隔板連接處貼合密封套，隔熱底座上設(shè)置與隔熱罩和擴(kuò)容盒連通的連通孔，遠(yuǎn)離連通孔一側(cè)的擴(kuò)容盒設(shè)置通氣孔。

圖10 可延緩熱失控的裝置縮略圖

當(dāng)動(dòng)力電池發(fā)生熱失控時(shí)，隔熱罩、隔熱蓋板和隔熱底座能夠防止動(dòng)力電池產(chǎn)生的熱量傳遞到其他電池組，實(shí)現(xiàn)延緩熱失控效果。隨著產(chǎn)熱增加，隔熱罩內(nèi)部壓力增大，隔板在擴(kuò)容盒內(nèi)滑動(dòng)，將原有空氣通過(guò)通氣孔排出，降低內(nèi)部壓力，減緩受損速度，增加延緩時(shí)間。同時(shí)將擴(kuò)容盒滑動(dòng)隔板與行程開(kāi)關(guān)相連，接通新能源汽車的中控臺(tái)，開(kāi)啟報(bào)警系統(tǒng)。

5 結(jié) 論

（1）明確鋰離子電池?zé)崾Э匕l(fā)展過(guò)程及產(chǎn)熱機(jī)理，通過(guò)拆解和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)采集基本數(shù)據(jù)，構(gòu)建鋰離子電池18650單體模型。

（2）分別從環(huán)境溫度、傳熱系數(shù)、初始溫度三方面深入研究分析熱失控影響因素。通過(guò)系列實(shí)驗(yàn)證明，鋰離子電池在高溫環(huán)境下工作有較大可能性發(fā)生熱失控，熱失控臨界溫度為445.08 K，且傳熱系數(shù)越大熱失控時(shí)間越早。為避免鋰離子電池?zé)崾Э厥鹿拾l(fā)生，應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)控電池溫度變化情況，當(dāng)異常溫度出現(xiàn)時(shí)，需及時(shí)采取有效措施加以控制。

（3）鋰離子電池?zé)崾Э氐臒崃恐饕獊?lái)源于材料間副反應(yīng)的發(fā)生，正極活性材料與電解液的反應(yīng)是否發(fā)生是導(dǎo)致熱失控的重要節(jié)點(diǎn)，使用耐高溫正極活性材料可有效防止電池?zé)崾Э匕l(fā)生。

（4）結(jié)合模擬結(jié)果與實(shí)際情況，設(shè)計(jì)一款可延緩熱失控的汽車電池包，彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)不足，其中核心技術(shù)已經(jīng)中國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)局授權(quán)。

（5）現(xiàn)有研究在對(duì)變量進(jìn)行考慮過(guò)程中，并未結(jié)合電池反應(yīng)放熱對(duì)溫度的影響，后續(xù)研究將針對(duì)環(huán)境溫度變化進(jìn)一步探究。

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Thermal Runaway Simulation and Prevention and Control of Lithium-Ion Batteries Based on COMSOL

YANG Meng-hua, YUE Li-hong

(School of Mechanical and Automotive Engineering, Qingdao University of Technology, Qingdao 266520, Shandong, China)

To further explore the thermal runaway of power battery and summarize the development process, a battery monomer model was constructed by COMSOL software, and the influencing factors were analyzed in detail combined with the simulation results. An automotive battery pack that can retard thermal runaway was proposed. Results showed that the thermal runaway process could be roughly divided into heating phase, injection and combustion phase, and quenching phase, which was affected by four kinds of side reactions of heat production. Under the high temperature environment of over 445.08 K, the lithium-ion battery working for a long time was prone to thermal runaway, and the key source of runaway heat was the decomposition reaction between the cathode active material and electrolyte. When the actual temperature of the battery exceeded 500 K, the temperature would lead to a fire accident if it cannot be controlled in time. The higher the convective heat transfer coefficient, the faster the battery temperature changed; the higher the initial temperature, the greater the possibility of thermal runaway.

lithium-ion battery; thermal runaway; COMSOL; safety prevention and control

2095-560X（2022）04-0375-08

TK11；TM912

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2022.04.011

收稿日期：2022-03-30

2022-04-23

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51874187）

岳麗宏，E-mail：ch.yuelihong@163.com

楊夢(mèng)華（1998-），女，碩士研究生，主要從事動(dòng)力電池?zé)崾Э貦C(jī)理及安全防控研究。

岳麗宏（1971-），女，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事環(huán)境科學(xué)與資源利用安全技術(shù)研究。