鋰離子電池模組熱失控傳播實(shí)驗(yàn)研究

摘要：為了提升電池?zé)岚踩推嚳煽啃?，開展電池模組熱失控傳播研究。針對圓柱形21700 鋰離子電池的熱失控傳播特性，通過實(shí)驗(yàn)研究了電池荷電狀態(tài)、單體間距等因素對21700 鋰離子電池模組多維度熱失控傳播行為的影響。發(fā)現(xiàn)電池?zé)崾Э剌S向傳播要快于徑向。在電池滿電狀態(tài)，間距2.0 mm 時(shí)，熱失控軸向傳播要比徑向快97 s，并且隨著電池電量的降低和間距的增大，熱失控傳播速度變慢。在電池間距為2.0 mm 時(shí)，30% 和50% 荷電狀態(tài)分別是軸向和徑向電池的安全荷電狀態(tài)。在電池滿電狀態(tài)時(shí)，6.0 mm 和4.0 mm 分別是軸向和徑向電池的安全距離。研究結(jié)果可為電池的存儲(chǔ)、運(yùn)輸以及電動(dòng)汽車的電池模組設(shè)計(jì)等提供借鑒。

關(guān)鍵詞：21700 鋰離子電池模組；熱失控傳播；多維度；荷電狀態(tài)；電池間距

中圖分類號(hào)：TM 912; X 932 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

研究電池的熱失控傳播行為對降低電動(dòng)汽車熱災(zāi)害[1-2] 以及保護(hù)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要的意義[3-4]。電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的熱失控一般經(jīng)歷3 個(gè)階段：Ⅰ階段，單體電池?zé)崾Э赜|發(fā)累積階段[5]；Ⅱ階段，單體電池發(fā)生熱失控階段[6]；Ⅲ階段，電池模組熱失控蔓延階段[7]。

國內(nèi)外研究人員對鋰離子電池的熱失控行為進(jìn)行了許多研究。鄧志彬等[8]、Wang 等[9] 和Weng等[10] 研究在開放和封閉空間內(nèi)18650 電池的熱失控傳播行為，指出實(shí)驗(yàn)空間的密閉性越好，電池?zé)崾Э氐膫鞑r(shí)間越短。對于電池間距方面，張青松等[11]、Li 等[12] 和Fang 等[13] 都進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，指出熱失控傳播速度與電池間的間距成反比，且存在傳播臨界距離。但是，對于在同一環(huán)境下軸向和徑向的傳播比較暫未有人研究。Ouyang等[14] 和Jia 等[15] 通過改變電池之間的排列方式，發(fā)現(xiàn)電池三角形排列時(shí)熱失控傳播最慢、空間利用率最高。然而，此研究只針對徑向，軸向未進(jìn)行研究。Wang 等[16]、劉平等[17] 和Ouyang 等[18] 研究主發(fā)電池位置對熱失控傳播的影響，指出主發(fā)電池越多、越靠近中心， 則熱失控傳播越快。Lamb 等[19]、Huang 等[20] 研究串并聯(lián)電路組成的電池模組不同的熱失控行為，指出并聯(lián)方式的電池模組發(fā)生熱蔓延的程度更加劇烈。

以往對電池模組熱失控的研究，大多考慮模組側(cè)向的傳播，鮮有縱向與側(cè)向的對比分析。本研究將采用圓柱形21700 電池模組，迎合了新能源汽車市場以及部分3C 電子消費(fèi)市場的儲(chǔ)能需求，所得結(jié)果將對21700 圓柱形電池的工程化拓展應(yīng)用提供幫助。同時(shí)，本研究也為下一代46 系列圓柱形鋰離子電池（4680、4695 電池等）的熱失控傳播研究提供借鑒。在同一組實(shí)驗(yàn)中主發(fā)電池不同方向各放置一個(gè)電池，通過改變電池SOC、電池間距，來比較不同方向上熱失控傳播行為，并研究熱失控傳播與電池SOC、電池間距的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為電池在存儲(chǔ)、運(yùn)輸以及新能源汽車電池排布方面提供理論參考。

1 實(shí)驗(yàn)方法

本文以21700 電池為研究對象，實(shí)驗(yàn)電池主要規(guī)格參數(shù)如表1 所示。

1.1 實(shí)驗(yàn)布置

自主設(shè)計(jì)并搭建熱失控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖1 所示。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主體是一個(gè)1 200 mm×700 mm×500 mm的防爆實(shí)驗(yàn)箱，防爆箱由不銹鋼材質(zhì)制成，上方留有防爆玻璃制成的觀察窗口。為避免實(shí)驗(yàn)時(shí)主發(fā)電池發(fā)生熱失控后引發(fā)電池彈射現(xiàn)象，造成電池排布錯(cuò)落以及熱電偶脫落，在實(shí)驗(yàn)箱體內(nèi)放置用于固定電池的實(shí)驗(yàn)臺(tái)架。在防爆箱內(nèi)部和臺(tái)架上部鋪設(shè)10.0 mm 厚的氣凝膠用作隔熱層，減少實(shí)驗(yàn)過程時(shí)的熱量散失。臺(tái)架中心固定一節(jié)21700電池作為熱失控主發(fā)電池，并在主發(fā)電池的正極中心軸方向（軸向）上方和垂直于中心軸的方向（徑向）各固定一節(jié)電池，其電池間距為s。實(shí)驗(yàn)時(shí)使用加熱的方式來觸發(fā)電池?zé)崾Э豙21]，加熱源選擇直徑為0.5 mm 的鎳鎘電阻絲，為了保證實(shí)驗(yàn)一致性，每一次實(shí)驗(yàn)都在主發(fā)電池上均勻纏繞7 圈電阻絲。通過兆信生產(chǎn)的穩(wěn)壓電源來對電阻絲進(jìn)行加熱，加熱功率設(shè)置為70 W。采集溫度的熱電偶使用K 型墊片式熱電偶，其最高可以承受1 000 ℃的高溫，精度為±0.1 ℃?？紤]熱電偶安裝的穩(wěn)定性，將熱電偶固定在每節(jié)實(shí)驗(yàn)電池側(cè)面，固定位置選擇靠近電池正極的一端。為了避免熱失控時(shí)火焰直接接觸到熱電偶而對溫度的測量造成較大影響，使用絕熱膠帶覆蓋熱電偶并固定于電池表面。電池表面溫度使用HIOKI 數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行記錄，記錄周期為1 s。使用高速攝像機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控電池?zé)崾Э匦袨樘卣鳌?/p>

實(shí)驗(yàn)主要研究鋰離子電池?zé)崾Э貍鞑ピ诓煌较蛏系男袨?，考慮到電池在實(shí)際工作中SOC 一直處于動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)，所以選擇100%，80%，50%，30% 這4 個(gè)不同階段的電池SOC 進(jìn)行對比研究。進(jìn)一步地，在實(shí)際安裝過程中，電池在模組中的布置有所差異，故設(shè)置不同的電池間距來模擬不同的電池布置。具體工況設(shè)置如表2 所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

a. 使用電池充放電測試儀（深圳新威爾CE-6002n，60 V，200 A，雙通道）將電池恒壓充電至4.2 V，充電倍率為0.5 C，截止電流為100 mA，然后以0.5 C 倍率放電至實(shí)驗(yàn)所需的SOC，放電后靜置時(shí)間不低于1 h。

b. 在主發(fā)電池上均勻纏繞加熱電阻絲并固定到實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上，按照圖1 的方式，在主發(fā)電池的軸向和徑向各固定一節(jié)電池，同時(shí)在3 節(jié)電池上布置熱電偶，并連接數(shù)據(jù)采集儀采集溫度數(shù)據(jù)。

c. 將實(shí)驗(yàn)臺(tái)架放到防爆箱內(nèi)部并進(jìn)行固定，在防爆箱內(nèi)部和臺(tái)架上部鋪設(shè)氣凝膠進(jìn)行隔熱。穩(wěn)壓電源與電阻絲的兩端相連接，開啟穩(wěn)壓電源，同時(shí)打開高速攝像機(jī)記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

d. 待熱失控傳播結(jié)束，停止溫度采集，拆卸電池模組并對電池稱重。

2 結(jié)果與討論

2.1 模組熱失控發(fā)展歷程

實(shí)驗(yàn)中主發(fā)電池受到加熱絲的直接加熱，溫度逐漸升高直至熱失控觸發(fā)溫度，然后將熱量傳遞給相鄰電池，電池模組之間發(fā)生熱失控的傳播。圖2 以工況a（荷電狀態(tài)100%，電池間距2.0 mm）為代表，展示了電池?zé)崾Э氐膫鞑ミ^程。

由圖2 可以看出，模組熱失控的傳播主要分為以下4 個(gè)階段：

階段Ⅰ ： 加熱階段。在電阻絲的持續(xù)加熱下，電池的表面溫度逐漸升高，電池內(nèi)部發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生氣體，電池內(nèi)部壓力逐漸升高。如圖2（a）所示，當(dāng)加熱到347 s 時(shí)，電池溫度為128.4 ℃，電池內(nèi)部壓力超過了安全閥極限，電池安全閥打開，并伴有明顯的聲響和白煙。

階段Ⅱ：熱失控階段。隨著電池溫度的進(jìn)一步升高，電池釋放的白煙愈加濃密，當(dāng)達(dá)到電池?zé)崾Э赜|發(fā)溫度時(shí)，電池溫升速率急劇加快，電池觸發(fā)熱失控。如圖2（b）所示，在第383 s 時(shí)，主發(fā)電池溫度達(dá)到143.8 ℃，電池正極處噴出大量高溫物質(zhì)并伴有爆炸聲，隨后電池表面溫度急劇上升，主發(fā)電池開始穩(wěn)定燃燒。

階段Ⅲ：熱失控傳播階段。在主發(fā)電池經(jīng)歷熱失控并劇烈燃燒時(shí)，釋放的大量熱量傳遞給相鄰電池，尤其是軸向電池受到主發(fā)電池的火焰沖擊，溫度急速上升。如圖2（c）所示，在主發(fā)電池?zé)崾Э?2 s 后，軸向電池觸發(fā)熱失控，最高溫度達(dá)到550.2 ℃。如圖2（d）所示，97 s 后，徑向電池觸發(fā)熱失控，最高溫度達(dá)到546.6 ℃。

階段Ⅳ：熄滅階段。電池在發(fā)生爆炸并劇烈燃燒后，火焰逐漸減弱直至熄滅，熱失控傳播結(jié)束。圖2（e）展示了熱失控傳播結(jié)束后電池的殘骸。

以上4 階段為工況a 的熱失控傳播發(fā)展歷程，但不同SOC 和間距均會(huì)對熱失控的傳播產(chǎn)生影響，表3 展示了不同工況下模組的熱失控傳播情況。

由表3 可知，隨著SOC 的增加及電池間距的減小，電池模組更易發(fā)生熱失控的傳播，同時(shí)軸向電池相較于徑向更易觸發(fā)熱失控。下文將具體分析SOC 和間距對熱失控傳播的影響。

2.2 荷電狀態(tài)

圖3 展示了在電池間距2.0 mm 時(shí)，不同SOC下電池模組溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系，表4 展示了軸向和徑向電池?zé)崾Э貢r(shí)的數(shù)據(jù)。其中， Δt1，Δt2 分別代表軸向和徑向電池與主發(fā)電池觸發(fā)熱失控的時(shí)間差；T1，T2，T3 分別表示主發(fā)、軸向、徑向電池?zé)崾Э氐挠|發(fā)溫度；T1m，T2m，T3m 為熱失控的最高溫度。

從圖3 和表4 可以看出，當(dāng)SOC 為100% 和80% 時(shí)，軸向和徑向電池均觸發(fā)熱失控，軸向電池的熱失控觸發(fā)溫度分別為69.6 ℃ 和81.5 ℃，低于徑向電池的80.6 ℃ 和86.8 ℃。熱失控軸向傳播所需時(shí)間分別為12 s 和25 s，遠(yuǎn)小于徑向傳播的時(shí)間109 s 和145 s，兩個(gè)方向上的電池?zé)崾Э刈罡邷囟冉咏?。?dāng)SOC 為50% 時(shí)，軸向電池在主發(fā)電池?zé)崾Э?3 s 后發(fā)生熱失控，而徑向未發(fā)生熱失控的傳播，最高溫度僅為105 ℃。當(dāng)SOC 為30%時(shí)，兩個(gè)方向上的電池均未觸發(fā)熱失控，最高溫度分別為140.7 ℃ 和70.7 ℃。

圖4 展示了不同SOC 下電池的最大溫升速率。隨著電池SOC 的降低，電池的最大溫升速率也隨之下降。在相同SOC 下，軸向電池的最大溫升速率均大于徑向電池。同時(shí)，在3 節(jié)電池均觸發(fā)熱失控的情況下（80%，100% SOC），主發(fā)電池的最大溫升速率均低于其他兩節(jié)電池。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在相同SOC 和電池間距的情況下，熱失控的軸向傳播速度要快于徑向傳播速度。在2.0 mm 間距、不同SOC 下，軸向電池幾乎與主發(fā)電池同時(shí)發(fā)生熱失控，其主要原因包括兩方面。

a. 在主發(fā)電池?zé)崾Э貢r(shí)，會(huì)從正極處噴發(fā)出大量的高溫物質(zhì)直接接觸軸向電池，導(dǎo)致其負(fù)極溫度急劇升高，從而觸發(fā)熱失控；而徑向電池主要通過熱對流和熱輻射來吸收主發(fā)電池釋放的熱量，溫升速率小于軸向，從而不易觸發(fā)熱失控。

b. 圓柱形鋰離子電池的軸向?qū)嵯禂?shù)遠(yuǎn)大于徑向?qū)嵯禂?shù)（20 倍），使電池的軸向熱傳播速度更快，這在Sheng 等[22] 的研究中有明確說明。

隨著SOC 的增大，電池?zé)崾Э赜|發(fā)溫度降低，熱失控最大溫升速率增大，熱失控傳播速度減小?？傃灾?，在2.0 mm 間距下，對于軸向電池來說，30% SOC 是一個(gè)安全的狀態(tài)，不會(huì)發(fā)生熱失控的傳播。50% SOC 對于徑向電池是一個(gè)安全的狀態(tài)。

2.3 電池間距

圖5 展示了在電池100% SOC，電池間距分別為4.0 mm 和6.0 mm 時(shí)模組熱失控傳播的溫度變化。表5 展示了不同電池間距下熱失控傳播數(shù)據(jù)對比。

從圖4（ a）和圖5 可以看出，當(dāng)電池間距從2.0 mm 增加到4.0 mm 時(shí)，熱失控軸向傳播時(shí)間從12 s 增加至39 s，熱失控的觸發(fā)溫度由69.6 ℃增加至89.9 ℃，徑向電池的熱失控傳播時(shí)間從109 s至無法傳播，觸發(fā)溫度為80.6 ℃。當(dāng)距離為6.0 mm時(shí)，軸向和徑向電池均未觸發(fā)熱失控。由表5 可知，熱失控的觸發(fā)溫度以及熱失控后電池的最高溫度隨著間距的增大而減小。

圖6 展示了不同電池間距下熱失控的最大溫升速率，隨著電池間距的增大，電池的最大溫升速率隨之降低。在相同電池間距下，軸向電池的最大溫升速率均大于徑向電池。同時(shí)，在3 節(jié)電池都觸發(fā)熱失控的情況下（2.0 mm），主發(fā)電池的最大溫升速率均低于其他兩節(jié)電池。

此外， 在同一工況下（ SOC、間距等均相同），軸向電池的熱失控傳播速度要快于徑向電池，最大溫升速率也高于徑向。當(dāng)電池間距增加時(shí)，熱失控的傳播將變得緩慢，直至無法傳播。因?yàn)楫?dāng)電池間距增大時(shí)，熱失控之間的傳熱路徑變長，熱量損失更多，到達(dá)相鄰電池的熱量減少，當(dāng)溫度無法達(dá)到熱失控觸發(fā)溫度時(shí)，熱失控不會(huì)在模組間發(fā)生傳播。對于100% SOC 的電池，當(dāng)軸向相鄰電池距離大于6.0 mm 時(shí)，不會(huì)發(fā)生熱失控的軸向傳播，徑向相鄰電池距離超過4.0 mm 時(shí)，不會(huì)發(fā)生熱失控的徑向傳播。

2.4 質(zhì)量損失

圖7 展示了鋰離子電池?zé)崾Э厍昂蟮碾姵貙Ρ葓D以及熱失控未傳播和傳播情況下的電池模組殘骸圖。相比于實(shí)驗(yàn)前，熱失控后的電池外殼破裂，電池內(nèi)部物質(zhì)噴出，電池周圍存在大量的燃燒灰燼。由于在電池發(fā)生熱失控時(shí)，電池內(nèi)部發(fā)生劇烈反應(yīng)并發(fā)生爆炸，電池內(nèi)部的安全閥、電芯等物質(zhì)會(huì)隨著電池的爆炸燃燒從電池內(nèi)部噴出，所以熱失控后的電池外觀發(fā)生較大變化。

對電池殘骸進(jìn)行稱重，分析其質(zhì)量損失，結(jié)果如圖8 所示。

由圖8 可以看出，在發(fā)生熱失控時(shí)，電池的SOC 越高，電池?zé)崾Э睾蟮馁|(zhì)量損失率越大，當(dāng)電池為100% SOC 時(shí)，質(zhì)量損失率超過80%。而電池SOC 相同，間距增大時(shí)，電池?zé)崾Э睾蟮馁|(zhì)量損失率相差不大，所以電池間距對熱失控后電池的質(zhì)量損失影響較小。未發(fā)生熱失控時(shí)，電池質(zhì)量損失率為0%。在3 節(jié)電池均觸發(fā)熱失控的情況下，軸向電池的質(zhì)量損失率高出徑向電池5% 左右。所以電池SOC 對熱失控后電池的質(zhì)量損失影響較大，而電池排布和電池間距對質(zhì)量損失影響較小。

3 結(jié) 論

針對21700 電池模組的熱失控傳播特性開展研究，著重對電池SOC、單體間距等影響因素進(jìn)行了探討。得出如下結(jié)論：

a. 在同一工況條件（SOC、間距）下，21700 電池?zé)崾Э貍鞑サ乃俣纫煊趶较?，軸向熱失控傳播的最大溫升速率也高于徑向。

b. 當(dāng)電池SOC 降低到30% 時(shí)，21700 電池不發(fā)生熱失控傳播。對于滿電電池，熱失控軸向傳播的安全距離為6.0 mm，徑向安全距離為4.0 mm。

c. 當(dāng)電池單體間距為2.0 mm 時(shí)，電池SOC 在50% 以下不會(huì)發(fā)生徑向熱失控傳播。當(dāng)21700 電池SOC 在30% 以下時(shí)，不會(huì)發(fā)生軸向熱失控傳播。

基于本研究結(jié)果，建議在存儲(chǔ)、運(yùn)輸21700 電池時(shí)，可將電池間距保持在6.0 mm 以上，電動(dòng)汽車的長時(shí)間停放可以將電池SOC 保持在30% 以下，降低熱失控發(fā)生后的傳播風(fēng)險(xiǎn)。此外，通過合理設(shè)計(jì)電池軸向和徑向間距，采取冷卻封閉措施，降低電池模組發(fā)生熱失控后的危害。

參考文獻(xiàn)：

[1] 胡學(xué)彬，王海民，趙越，等.動(dòng)力電池內(nèi)部溫度梯度反演 計(jì)算J].能源研究與信息，2023，39（1）：56-67.

[2] FENG X N，ZHENG S Q，REN D S，et al. Investigating the thermal runaway mechanisms of lithium-ion batteries based on thermal analysis database[J]. Applied Energy，2019， 246： 53-64.

[3] 白國振，李聰，王雙園，等.新能源汽車動(dòng)力電池冷卻系 統(tǒng)熱仿真及優(yōu)化[J].能源研究與信息，2023， 39（3）： 183-188， 197.

[4] LYON R E， WALTERS R N. Energetics of lithium ion battery failure[J]. Journal of Hazardous Materials， 2016， 318： 164-172.

[5] 芮新宇，馮旭寧，韓雪冰，等.鋰離子電池?zé)崾Э芈訂?題研究綜述[J].電池工業(yè)，2020， 24（4）： 193-201，205.

[6] WANG Q S， PING P， ZHAO X J， et al. Thermal runaway caused fire and explosion of lithium ion battery[J]. Journal of Power Sources， 2012， 208： 210-224.

[7] FENG X N， HE X M， OUYANG M G， et al. Thermal runaway propagation model for designing a safer battery pack with 25 Ah LiNixCogt;MnzO2 large format lithium ion battery[J]. Applied Energy， 2015， 154： 74-91.

[8] 鄧志彬，韓旭，劉全義，等.不同體系中18650型鋰離子 電池?zé)崾Э貍鞑ミ^程研究[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2018， 37（2）： 246-249.

[9] WANG Z R， MAO N， JIANG F W. Study on the effect of spacing on thermal runaway propagation for lithium-ion batteries[J]. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry， 2020， 140（6）： 2849-2863.

[10] WENG J W， OUYANG D X， LIU Y H， et al. Alleviation on battery thermal runaway propagation： Effects of oxygen level and dilution gas[J]. Journal of Power Sources， 2021， 509： 230340.

[11] 張青松，趙洋，劉添添.荷電狀態(tài)和電池排列對鋰離子電 池?zé)崾Э貍鞑サ挠绊慬J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，2022， 11（8）： 2519-2525.

[12] LI H， CHEN H D， ZHONG G B， et al. Experimental study on thermal runaway risk of 18650 lithium ion battery under side-heating condition[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries， 2019， 61： 122-129.

[13] FANG J， CAI J N， HE X Z. Experimental study on the vertical thermal runaway propagation in cylindrical Lithium-ion batteries： effects of spacing and state ofcharge[J]. Applied Thermal Engineering， 2021， 197： 117399.

[14] OUYANG D X， LIU J H， CHEN M Y， et al. Thermal failure propagation in lithium-ion battery modules with various shapes[J]. Applied Sciences， 2018， 8（8）： 1263.

[15] JIA Y K， UDDIN M， LI Y X， et al. Thermal runaway propagation behavior within 18， 650 lithium-ion battery packs： a modeling study[J]. Journal of Energy Storage， 2020， 31： 101668.

[16] WANG Z， YANG H， LI Y， et al. Thermal runaway and fire behaviors of large-scale lithium ion batteries with different heating methods[J]. Journal of Hazardous Materials， 2019， 379： 120730.

[17] 劉平，崔倫，諶瑞宇，等.18650三元鋰電池組熱失控蔓延 規(guī)律研究[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2021， 40（3）： 429-433.

[18] OUYANG D X， LIU J H， CHEN M Y， et al. An experimental study on the thermal failure propagation in lithium-ion battery pack[J]. Journal of the Electrochemical Society， 2018， 165（10）： A2184-A2193.

[19] LAMB J， ORENDORFF C J， STEELE L A M， et al. Failure propagation in multi-cell lithium ion batteries[J]. Journal of Power Sources， 2015， 283： 517-523.

[20] HUANG Z H， ZHAO C P， LI H， et al. Experimental study on thermal runaway and its propagation in the large format lithium ion battery module with two electrical connection modes[J]. Energy， 2020， 205： 117906.

[21] WANG H M， SHI W J， HU F， et al. Over-heating triggered thermal runaway behavior for lithium-ion battery with high nickel content in positive electrode[J]. Energy， 2021， 224： 120072.

[22] SHENG L， SU L， ZHANG H Y. Experimental determination on thermal parameters of prismatic lithium ion battery cells[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2019， 139： 231-239.

（編輯：丁紅藝）

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)青年基金資助項(xiàng)目（5220061363）