動力鋰離子電池大功率快充熱失控主動防控研究進展

摘 要：

電動汽車續(xù)航里程短、充電時間長等問題嚴重制約其進一步發(fā)展，提升電動汽車大功率快速充電能力已成為電動汽車的新發(fā)展目標。解決動力鋰離子電池大功率快充的熱失控問題是支撐快充發(fā)展的重要前提。通過歸納國內(nèi)外文獻，首先闡明鋰離子電池大功率快充觸發(fā)熱失控的機理;其次從快充策略、電池設(shè)計與制造工藝、快充熱管理等方面的優(yōu)化入手，厘清鋰離子電池大功率快充熱失控主動防控研究進展。為加快動力鋰離子電池安全大功率快充的發(fā)展，提供熱失控防控技術(shù)的開發(fā)思路。

關(guān)鍵詞：

鋰離子電池; 快充; 熱失控; 析鋰; 熱管理; 消防

中圖分類號： TM912

文獻標志碼： A

文章編號： 2095-8188（2024）11-0010-10

DOI：

10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.11.002

Research Progress on Active Protection Against Thermal Runaway of" High Power Fast Charging Lithium-ion Batteries

LIU Jianchao1，2，3， GUO Weiwen1，2，3，4， LU Deng1，4， YANG Liming1，2，3， JIANG Caisheng5

［1.Shanghai Electric Science Research Institute， Shanghai 200063， China;

2.Tianwei Inspection and Testing （Jiangsu） Co.，Ltd.， Yancheng 224007， China;

3.Shanghai Electrical Equipment Testing Institute Co.，Ltd.， Shanghai 200063， China;

4.Shanghai Institute of Electrical Science （Group） Co.，Ltd.， Shanghai 200063， China;

5.Shanghai Fengxian District Fire Rescue Brigade， Shanghai 201499， China］

Abstract：

Short cruising range and long charging time of electric vehicles seriously restrict their rapid development.To solve these problems，high-power fast charging of electric vehicles has revealed as an attractive strategy.Solving the thermal safety caused by high-power fast charging of lithium-ion batteries is an important prerequisite for supporting the development of fast charging.By summarizing home and abroad literature firstly， the mechanism of high power fast charging and thermal runaway of lithium-ion batteries is clarified.Secondly，starting from the optimization methods，liking fast charging strategy，battery design and manufacturing process，fast charging thermal management，etc.，the research progress of high power fast charging thermal runaway active prevention and control of lithium-ion batteries is stated，which provides the development ideas for thermal runaway prevention and control technology to accelerate the development of high power charging of lithium-ion powered batteries.

Key words：

lithium-ion battery; fast charging; thermal runaway; lithium precipitation; thermal management; fire control

0 引 言

為解決電動汽車充電時間長的問題，大功率快充技術(shù)得到汽車行業(yè)的廣泛關(guān)注［1-2］。國內(nèi)外許多車企將大功率快充作為緩解電動汽車里程的重要方案［3-5］。大功率快充技術(shù)緩解了電動汽車補能焦慮，同時也迫使動力電池系統(tǒng)強化升級自身的熱失控防控，以防范電動汽車安全事故。歐陽明高［6］指出，大部分電動汽車安全事故發(fā)生于充電過程中或充電結(jié)束后，而動力電池安全問題的本質(zhì)是電池熱失控。熱失控是指電池內(nèi)部發(fā)生連鎖放熱反應引起電池溫升速率急劇變化的過熱現(xiàn)象，該過程常伴有電池“脹氣”，甚至出現(xiàn)起火爆炸［7］。熱失控主要觸發(fā)因素有機械濫用（碰撞、擠壓、針刺）、電濫用（外短路、過充、過放）、熱濫用（過熱）。文獻［8］通過過充熱失控和正交試驗證實了高倍率和高溫會增加鋰離子電池熱失控風險，充電倍率、溫度、健康狀態(tài)對熱失控的影響依次減小。文獻［9］研究了3 C倍率快充后三元軟包電池的熱失控行為，闡明三元電池快充后熱失控是由負極析出的活性鋰與電解質(zhì)之間發(fā)生劇烈放熱反應所觸發(fā)的，而負極析鋰是由于快充時石墨負極嵌鋰反應極化增加使負極電位下降至0 V，達到金屬鋰的析出電位，鋰離子在負極表面形成金屬鋰。美國能源部車輛技術(shù)辦公室（VTO）組織評價了350 kW大功率快充技術(shù)對電池產(chǎn)熱方面的影響，指出目前純電動汽車熱管理系統(tǒng)對電池在大功率快充時最高溫升方面的限制是不夠的。如果熱管理系統(tǒng)設(shè)計不正確，電池就可能升溫至熱濫用溫度而觸發(fā)熱失控。因此，需要優(yōu)化升級動力電池的熱管理系統(tǒng)來主動防控電池在大功率充電過程中的熱失控。除動力鋰離子電池熱管理外，抑制負極析鋰是大功率快充電池熱失控主動防控研究的另一個熱點。褚政宇［10］采用準二維電化學機理模型來預測負極電位，以模型的負極電位觀測器為基礎(chǔ)，把負極觀測出來的電位與析鋰參考電位進行比較，通過調(diào)整充電電流使2個電位的差值趨于0，最終實現(xiàn)無析鋰快充。

本文概述了鋰離子電池大功率快充時熱失控的觸發(fā)機理，結(jié)合大功率快充熱失控機理從快充鋰離子電池負極析鋰抑制研究和快充熱管理研究2個方面進行闡述。

1 動力鋰離子電池快充熱失控觸發(fā)機理

鋰離子電池在充放電過程中會產(chǎn)生熱量，電池溫度取決于其自身產(chǎn)熱與傳熱。電池在不同的溫度下，相應組分材料會發(fā)生不同類型的吸/放熱副反應（除正負極活性材料嵌入/脫出鋰離子的氧化還原反應外的其他反應）。在正常工作溫度范圍內(nèi)，鋰離子電池的產(chǎn)熱率通常lt;1 K/min。當溫度高于熱失控的觸發(fā)溫度（通常為90 ℃）時，鋰離子電池內(nèi)部熱失控連鎖反應被激活，最終引發(fā)熱失控［11］。發(fā)生熱失控前，電池正極金屬離子在高溫下的溶解沉積導致負極電阻增大或高溫自放電產(chǎn)生容量衰減。動力鋰離子電池組分材料的熱失控反應機理［12］如圖1所示。主要包括固態(tài)電解質(zhì)（SEI）膜分解、負極與電解液反應、隔膜熔化、正極分解反應、電解質(zhì)溶液分解反應、負極與黏接劑反應、電解液燃燒等。

當溫度＞90 ℃時，負極表面SEI膜開始分解，釋放可燃氣體、O2和熱量，從而導致鋰離子電池內(nèi)部溫度升高。由于負極表面失去SEI膜保護，嵌鋰負極將與電解液發(fā)生反應，并伴有可燃氣體和大量熱量的釋放，電池溫度繼續(xù)升高。當溫度＞130 ℃時，聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）隔膜熔化收縮，可能造成局部正負極接觸并發(fā)生內(nèi)短路，短路將放出大量的熱量，推動隔膜的解體。隔膜解體之后電池內(nèi)短路發(fā)生，放出大量的熱量，使得電池溫度迅速從120 ℃提高至300 ℃甚至更高，此時各種化學反應混合在一起同時發(fā)生，電池迅速達到熱失控。脫鋰態(tài)的正極材料在高溫（180～300 ℃）下容易發(fā)生分解反應，除磷酸鐵鋰正極材料之外，釋放高活性的O2和大量的熱量，使得電池體系內(nèi)部溫度進一步升高。隨著電池體系溫度升高，電解液中的有機溶劑（EC∶DEC∶DMC）與鋰鹽（LiPF6）也會發(fā)生分解反應。含氟黏結(jié)劑與嵌鋰負極發(fā)生劇烈的放熱反應，并產(chǎn)生H2等可燃性氣體。大量氣體積聚使電池內(nèi)部壓力急劇升高，一旦達到安全閥開閥壓力，則會發(fā)生噴射。噴出物中有很多未完全反應的物質(zhì)（如CO和H2），也包含了半蒸發(fā)狀態(tài)的液滴。若可燃氣體含量達到了燃燒極限，任何的火星都會將噴出的混合物點燃。

熱失控的主要觸發(fā)因素有機械濫用、電濫用和熱濫用，鋰離子電池在大功率快充后可能觸發(fā)熱失控的因素主要有負極析鋰導致的內(nèi)短路和快充大量產(chǎn)熱導致的熱濫用［13-14］。電池快充時，負極嵌鋰反應的交換電流密度隨著倍率和荷電狀態(tài)（SOC）的增加而明顯降低，導致嵌鋰反應過電位增加，達到金屬鋰的析出電位（0 V）而使鋰離子沉積在負極表面，形成負極析鋰。負極活性鋰與電解液反應，產(chǎn)生大量的熱量。造成電池溫度迅速升高并引發(fā)熱失控。若鋰繼續(xù)沉積形成鋰枝晶狀可能會刺破隔膜，導致正負極短路，引發(fā)熱失控。快充電池熱失控過程的連鎖反應［15］如圖2所示。

鋰離子電池熱量通常來源于電芯之間因互聯(lián)電阻過大引起聯(lián)接處局部過熱和電芯內(nèi)部產(chǎn)熱。電芯內(nèi)部產(chǎn)熱來源于可逆熵熱Qrev和不可逆熱損失Qirr 2個部分，計算公式為

由式（1）可知，Qrev與ΔS、T和I成正比、與n和F成反比，UbatU為由電化學極化、濃差極化和歐姆極化引起的總過電勢，不可逆熱損失中焦耳熱Qjoule占絕大部分［16-17］。

大功率快充需要較大的充電電流，但這會增加焦耳熱損失，導致電芯溫升加快。如果不能對電池進行正確的熱管理，任由電池溫度攀升，會加速電芯內(nèi)副反應，包括SEI膜生長、電解液分解和電極分層與顆粒開裂等，最終使電池溫度達到濫用級別，從而觸發(fā)熱失控。

2 鋰離子電池快充熱失控主動防控措施研究

針對鋰離子電池快充熱失控的2種觸發(fā)機理，分別從負極析鋰抑制和快充熱管理2個方面闡述快充熱失控主動防控措施的研究進展。

2.1 負極析鋰抑制研究

2.1.1 基于快充策略的抑制析鋰途徑

目前，兼顧抑制負極析鋰的鋰離子電池快充策略有以下3種。

（1） 基于電化學模型的快充策略?；陔娀瘜W模型的快充策略如圖3所示。該策略是使用電化學模型得到鋰離子電池一些內(nèi)部參數(shù)和電流的關(guān)系，如材料內(nèi)部應力、負極對鋰電位、副反應電位等［18-19］，通過給定任意單一內(nèi)部參數(shù)的限制條件來限制充電的最大電流。

圖3（a）列出了利用電化學模型計算內(nèi)部參量的表達式。文獻［18，20］建立了降階電化學-熱耦合模型，并將其用于預測快充過程中的負極電位和溫度，以負極電位和溫度為限制條件來優(yōu)化最優(yōu)充電時間。文獻［21］基于降維電化學（SP2D）模型建立了負極電位估計模型，開發(fā)出無析鋰快充算法，可以集成在車載電池管理系統(tǒng)（BMS）中在線應用。圖3（b）展示了該快充策略的控制邏輯，算法包含負極電位閉環(huán)觀測算法及電流在線閉環(huán)控制算法。在負極電位閉環(huán)觀測算法中，SP2D模型用于在線觀測負極/隔膜處的固液相電位差，以端電壓的估計誤差Ue為反饋信號，自適應修正降維模型內(nèi)部狀態(tài)，增加負極電位觀測的魯棒性和準確性。電流在線閉環(huán)控制算法中，將利用負極電位的觀測值計算出析鋰過電位ηsr和預設(shè)過電位閾值ηthr之間的差作為電流反饋信號，來調(diào)節(jié)充電電流大小，使負極電位始終位于析鋰安全邊界內(nèi)并盡量靠近邊界值，達到無析鋰的最優(yōu)充電時間。采用大容量商業(yè)三元電池對該充電策略進行測試，結(jié)果顯示在52 min充電至滿容量的96.8%，相比常規(guī)的恒流恒壓充電策略，充電時間縮短26.4%，電池拆解后負極表面無金屬鋰析出。

除了基于模型估計負極電位之外，還可以采用負極電位傳感器直接測量負極電位，但需要對電池結(jié)構(gòu)進行改造。周旋等［22］采用電芯內(nèi)置參比電極監(jiān)測負極電位，以無析鋰的負極電位閾值（析鋰電位0 V+20 mV）為選擇最大快充電流的邊界條件，考慮到最大快充電流I的選擇受溫度T和SOC的影響，通過調(diào)節(jié)不同充電起始溫度點，獲取5條不同起始溫度點的快充策略曲線，運用分段線性插值方法，標定出荷電狀態(tài)-溫度-電流等高線圖（SOC-T-I Map）。SOC-T-I Map標定流程如圖4所示。通過調(diào)整設(shè)定5個充電起始溫度點、調(diào)節(jié)電流值調(diào)控負極電位，觀測負極電位并使之維持在閾值附近，獲得時間-電流-負極電位-溫度的關(guān)系;然后對電流進行安時積分轉(zhuǎn)化得到5條不同起始溫度下SOC-電流-負極電位-溫度的關(guān)系;將SOC區(qū)間按10%進行等間隔劃分，找出同一SOC下的最大電流值和溫度值，根據(jù)溫度的變化分段線性插值并限制最高溫度和最低溫度下的電流值，并擴展到不同的SOC，最后利用得到的數(shù)據(jù)畫出。SOC-T-I等高線Map圖如圖5所示。該研究還驗證了Map圖的快速性和無析鋰。采用Map圖進行快充循環(huán)后的弛豫電壓曲線和弛豫電壓微分曲線如6所示;25 ℃快充策略容量和容量保持率［22］如圖7所示。

由圖4～圖7可知，25 ℃快充策略比25 ℃恒流1C、1.5C充電時間分別縮短45.3%、18.0%;25 ℃下200次快充循環(huán)后，弛豫電壓微分曲線無極小值且電池維持99.7%的容量保持率，表明無金屬鋰析出。該標定Map圖的方法提供了挖掘電池快充能力的思路，若能標定出不同工況下全生命周期的Map圖，則將其集成于車載BMS中可以實現(xiàn)電動車的快充熱管理。

此外，基于經(jīng)驗模型的充電策略也顯示出抑制析鋰的效果。如勞力［23］提出了恒dQ/dU（充入容量對電池端電壓的微分曲線）算法與初始大電流恒流充電相結(jié)合的復合快充策略。恒dQ/dU階段的充電電流大小及電流變化率根據(jù)電池內(nèi)在屬性（內(nèi)阻、開路電壓隨荷電狀態(tài)變化曲線等）自動調(diào)節(jié)，防止負極析鋰;隨著循環(huán)的進行和電池容量的衰減，復合快充策略可以根據(jù)電池健康狀態(tài)（SOH）的變化自動調(diào)節(jié)電流大小和電流變化率，保證在全生命周期內(nèi)不會出現(xiàn)析鋰或過充。

（2） 基于非對稱溫度調(diào)制的快充策略?；诜菍ΨQ溫度調(diào)制的快充策略是高溫快速充電+常溫正常放電的充放電策略。文獻［24］提出在充電時將鋰離子電池快速預熱至60 ℃并進行高倍率充電至80%SOC，電池在每個循環(huán)周期暴露于60 ℃的時間lt;10 min。升高溫度增強了電化學反應動力學和鋰離子傳輸性能，因而有效避免了析鋰，同時單次較短的高溫時間能夠抑制SEI膜的過度生長以及材料的降解，高倍率充電大大縮短了充電時間。文獻［25］通過比較不同溫度下以6 C倍率充電至80%SOC后循環(huán)電池的微分電壓與時間曲線和循環(huán)容量，判斷基于非對稱溫度調(diào)制的快充策略對抑制電池析鋰的效果。基于非對稱溫度調(diào)制的快充策略對抑制電池析鋰的效果如圖8所示。

由圖8（a）可見，隨溫度升高，析鋰特征峰消失;由圖8（b）可見，隨溫度升高，電芯循環(huán)壽命逐漸增加;對循環(huán)后電芯進行拆解，界面掃描電鏡（SEM）圖如圖8（c），隨著溫度的升高，負極析鋰現(xiàn)象得到明顯改善。實驗室試驗證明，能量密度為209 Wh/kg的三元電池在10 min高倍率快充2 500次循環(huán)后仍保持91.7%的容量。該方案針對比亞迪刀片電池依然適用，且60 ℃下的無析鋰最大充電倍率升高至6 C（充電時間＜10 min）。

文獻［26］提出了利用嵌入鎳箔作為電池內(nèi)部自加熱器的方案，這種自加熱鋰離子電池結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)加熱速度＞1 K/s，在-30 ℃的極冷環(huán)境中，電池只需90 s即可預熱至60 ℃;同時估計引入鎳箔導致的重量和成本的增加可忽略不計（估計比能量下降1.30%，成本增加0.47%）［27］。針對比亞迪漢純電動車搭載的80 kWh刀片電池的6 C充電需要480 kW充電功率，目前廣汽埃安和小鵬的480 kW的超充樁可以滿足。

文獻［28］分析認為，升高充電過程的溫度可以改善快充電池的極化程度，如果充電溫度＞45 ℃，鋰離子擴散速度的增加就將與阻抗的增加相抵消。在常溫和較高溫度條件下開展電池快充有利于電池循環(huán)壽命的提高，繼續(xù)升高溫度將導致電池副反應增多，因此合理調(diào)控電池充電溫度及高溫充電時間是開展高溫充電的關(guān)鍵。

（3） 基于充電波形的快充策略。多階電流充電策略經(jīng)過合理的優(yōu)化，可以抑制負極表面析鋰并改善電芯快充性能。文獻［29］探究了三步恒電流組合充電策略，發(fā)現(xiàn)以2.0C-1.5C-0.9C和1.8C-1.5C-0.9C 2種方式進行充電，電池有更佳的容量保持率和最輕的析鋰現(xiàn)象。合適的脈沖電流充電策略具有快充和抑制鋰枝晶生長的效果。文獻［30-31］采用理論模擬分析比較了鋰離子電池的不同電流脈沖充電策略，表明只有恒定的電流幅度和變化的脈沖頻率與空占比、不同的電流幅度和相同的脈沖頻率與空占比這2種充電策略可以實現(xiàn)快充效果。文獻［32］使用脈沖充電實驗和蒙特卡洛法計算模擬鋰枝晶生長，發(fā)現(xiàn)在20 ms頻率范圍內(nèi)的脈沖充電電流可有效抑制鋰枝晶生長。文獻［33］將負脈沖與負極電位、副反應速率和截止電壓等不同的限制條件相結(jié)合，設(shè)計出一種新型負脈沖快充方法。新型負脈沖快充方法的效果如圖9所示。

負脈沖充電可以從析出的金屬鋰中恢復鋰離子，因此與相同充電速率的恒流充電相比，其容量損失最小，在一定程度上有效阻止鋰枝晶的增長。

2.1.2 基于電池設(shè)計和制造工藝優(yōu)化抑制與調(diào)控析鋰

優(yōu)化電池的設(shè)計和制造工藝參數(shù)能夠抑制和調(diào)控負極析鋰，主要方法如下：① 增大電池N/P比。同時增加負極剩余容量和負極極片寬度能夠抑制電池過充導致的負極析鋰［34］，然而過度增加負極容量將會導致電池首次不可逆容量增加，同時增加電池的成本。② 提高負極的孔隙率。降低負極極片的涂覆厚度和壓實密度等均能夠抑制負極鋰枝晶的形成［35］，但會導致體積能量密度下降。③ 改變極耳的位置和數(shù)量。極耳的位置和數(shù)量會影響電池中電流的均勻分布，尤其在大型鋰離子電池中局部大電流會導致負極局部析鋰［16］。④ 添加電解質(zhì)添加劑。優(yōu)化鋰離子在負極電解質(zhì)/電極界面擴散和電化學反應動力學，可以改善快充下負極析鋰并抑制鋰枝晶生長［36-37］。⑤ 提升析鋰的可逆轉(zhuǎn)化。文獻［38］采用局部高濃度電解液在石墨負極上誘導形成富氟SEI，結(jié)果顯示，在析鋰量占總鋰化容量40%情況下，析鋰的可逆性仍可高達99.95%。

2.2 熱管理研究

電池溫度取決于其自身的產(chǎn)熱和散熱，大功率快充時電池的產(chǎn)熱會顯著增加，若能加強散熱，則可降低熱失控風險。由于電芯溫度隨體積分布不均衡，大功率快充會加速電芯溫度較高區(qū)域的老化。因此，可以通過優(yōu)化電池導熱路徑和熱管理系統(tǒng)來進行鋰離子電池快充熱失控的防控［39］。

2.2.1 電池導熱路徑的優(yōu)化

改進電池設(shè)計可以優(yōu)化電池的導熱路徑，主要包括：① 極耳的分布及大小，研究表明，電芯中極耳的雙側(cè)分布比同側(cè)分布更利于電芯溫度的均勻分布［40］;② 增加正、負極中導電材料比例，以輔助導熱［41］;③ 增加集流體的厚度;④ 電池內(nèi)引入低溫相變材料，以吸收電池充電時產(chǎn)生的熱量;⑤ 采用有理想導熱路徑的連續(xù)集流體;⑥ 減小電芯之間的互聯(lián)電阻［16］。但以上方法都會降低電池的能量密度。

2.2.2 熱管理系統(tǒng)的升級

電池熱管理系統(tǒng)可以通過不同的冷卻方式將電池組在大功率快充時的工作溫度控制在安全范圍（25～40 ℃）內(nèi)，目前主要有內(nèi)部冷卻和外部冷卻2種形式。內(nèi)部冷卻可以將電池的熱量直接在其內(nèi)部散去，文獻［42］引入了微通道相變內(nèi)部冷卻的概念，但尚難克服單個電池或電池組中電池之間的溫差較大的問題。工程應用較多的仍然是外部冷卻方式，主要分為空氣冷卻、液體冷卻、相變材料冷卻以及熱管冷卻。各種電池冷卻系統(tǒng)原理［43］如圖10所示。

大功率快充條件下，空氣冷卻可能無法將電池組的劇烈溫升控制在安全范圍內(nèi)。針對液體冷卻的研究集中在冷卻板的幾何結(jié)構(gòu)、冷卻液流速和冷卻介質(zhì)等方面，此外，液體冷卻因受限于封裝技術(shù)，風機、泵、箱體、冷卻管道等附件使成本和系統(tǒng)的重量增加，同時降低電池的功率和能量密度。相變材料冷卻可以將大功率快充狀態(tài)下的電池模組溫度控制在安全范圍內(nèi)并保持較好的均勻性，但相變材料的導熱性較差，甚至會面臨相變材料融化完全失效的風險。熱管在工業(yè)和電子熱管理等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應用，但在電池熱管理系統(tǒng)中的應用還不多見。選擇合適的熱管與電池組良好接觸，同時選擇有效的冷卻方式和冷卻結(jié)構(gòu)，是基于熱管的電池熱管理系統(tǒng)良好熱性能和冷卻效果的關(guān)鍵［44］。文獻［45］比較了大功率鋰離子電池的相變材料被動冷卻與主動氣冷方式的效果，在恒定高放電倍率和高溫時，主動氣冷方式下電池溫度會超過安全工作溫度上限而被認為無效。針對圓柱型鋰離子電池，文獻［46］提出了一種半螺旋管的液體冷卻方法以縮小電池的溫差，結(jié)果表明不同流體方向的半螺旋管可以優(yōu)化電池單體的溫度分布。文獻［47］中Tesla Roadster的電池冷卻系統(tǒng)為直接液體冷卻，散熱接口緊貼冷卻管，通過與冷卻液熱交換來提供有效的冷卻。文獻［48］設(shè)計出電池包浸沒式熱管理系統(tǒng)實現(xiàn)電池包內(nèi)各電芯的熱交換，從根本上解決電池包內(nèi)部電芯間溫度不均的問題，使高電壓、大功率快充得以實現(xiàn)。文獻［49］在35 A（5 C）恒流放電條件下，測試了相變材料和電池的電導率，結(jié)果表明潛熱隨熱導率的增大而減小。文獻［50］將優(yōu)化的熱管系統(tǒng)應用到方殼或軟包電池中，能夠很好地處理電池8 C充電時最大產(chǎn)熱量2倍的熱量。

鋰離子電池大功率快充熱管理失效情況下的火災消防，也是研究人員重點關(guān)注的問題。鋰離子電池體系兼具多種可燃物的燃燒特點［51］，導致目前尚沒有完善的消防方案及專用的滅火劑。針對鋰離子電池火災消防的研究，現(xiàn)階段主要集中在鋰離子電池熱失控的消防預警和特效滅火劑。目前，鋰離子電池的熱失控預警手段仍局限于有明顯滯后性的溫度和煙霧檢測等［52］。結(jié)合鋰離子電池熱失控機理，更早對潛在熱失控進行警報，是未來研究的重要課題。針對鋰離子電池火災特效滅火劑的研究，目前主要體現(xiàn)于現(xiàn)有滅火劑的滅火效果和降溫能力對比［53］。鋰離子電池火災消防尚處于起步階段，目前行業(yè)規(guī)范極不完善，現(xiàn)有的消防標準尚未覆蓋鋰離子電池火災。構(gòu)建切實可行的鋰離子電池熱失控消防標準也將是消防研究的重點問題。

3 結(jié) 語

為替代傳統(tǒng)燃油汽車而設(shè)計的大功率快充電動汽車可實現(xiàn)在數(shù)分鐘之內(nèi)充電至80%SOC，伴隨大功率快充的潛在熱失控風險對動力鋰離子電池快充技術(shù)的安全商業(yè)化應用帶來了極大挑戰(zhàn)。動力鋰離子電池大功率快充熱失控觸發(fā)機理主要有析鋰導致的內(nèi)短路觸發(fā)和不可控溫升導致的熱觸發(fā)。

為防控熱失控的發(fā)生，應從觸發(fā)機理出發(fā)。

（1） 抑制負極析鋰方面，通過結(jié)合析鋰電化學模型或物理特性來優(yōu)化快充策略是一個有效的方法，但現(xiàn)有的充電策略中很少提及策略的在線更新。優(yōu)化電池的設(shè)計和制造工藝參數(shù)也能夠抑制負極鋰沉積。

（2） 優(yōu)化電池的熱管理方面，對電芯內(nèi)部，需要優(yōu)化電池組分及結(jié)構(gòu)設(shè)計以加強電池內(nèi)部導熱;在電芯外部，則需要開發(fā)更高效的冷卻方法。基于動力鋰離子電池熱失控機理，早期階段的內(nèi)短路檢測同時結(jié)合對過充、過放、功率狀態(tài)（SOP）等的綜合管理，將會是開發(fā)動力鋰離子電池熱失控高效預警系統(tǒng)的研究方向和趨勢之一。

（3） 需要深入研究鋰離子電池熱失控的消防預警和特效滅火劑，構(gòu)建切實可行的鋰離子電池熱失控消防標準。鋰離子電池優(yōu)異快充性能的實現(xiàn)需要從電池整體結(jié)構(gòu)考慮，解決快充時所面臨的眾多問題，最終實現(xiàn)鋰離子電池大功率快充的大規(guī)模商業(yè)化應用。

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收稿日期： 2024-07-21

劉建超（1989—），女，工程師，主要從事電池快充熱特性與熱安全、電池失效分析、壽命預測、梯次電池增容修復等技術(shù)研究。

郭慰問（1989—），女，工程師，主要從事新能源電池的檢測分析技術(shù)、安全、失效分析、梯次利用等研究。

魯 登（1993—），男，工程師，主要從事動力與儲能電池測試技術(shù)與失效分析研究。

*基金項目： 上海市2023年度“科技創(chuàng)新行動計劃”科委支撐碳達峰碳中和專項項目（23DZ1201600）