關(guān)于鋰離子電池，熱失控是最嚴(yán)重的安全事故，它會(huì)引起鋰離子電池起火甚至爆炸，直接威脅用戶的安全。鋰離子電池發(fā)生熱失控重要是由于內(nèi)部產(chǎn)熱遠(yuǎn)高于散熱速率，在鋰離子電池的內(nèi)部積攢了大量的熱量，從而引起了連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致電池起火和爆炸。

發(fā)熱失控的因素很多，總的來(lái)說(shuō)分為兩類(lèi)，內(nèi)部因素和外部因素。內(nèi)部因素重要是：電池生產(chǎn)缺陷導(dǎo)致內(nèi)短路;電池使用不當(dāng)，導(dǎo)致內(nèi)部出現(xiàn)鋰枝晶引發(fā)正負(fù)極短路。外部因素重要是：擠壓和針刺等外部因素導(dǎo)致鋰離子電池發(fā)生短路;電池外部短路造成電池內(nèi)部熱量累積過(guò)快;外部溫度過(guò)高導(dǎo)致SEI膜和正極材料等發(fā)生分解。

鋰離子電池?zé)崾Э卦蚍治?/p>

(1)過(guò)熱觸發(fā)熱失控

導(dǎo)致動(dòng)力鋰電池過(guò)熱的原因來(lái)自于電池的選型和熱設(shè)計(jì)的不合理，或者外短路導(dǎo)致電池的溫度升高、電纜的接頭松動(dòng)等，應(yīng)該從電池設(shè)計(jì)和電池管理兩個(gè)方面來(lái)解決。從電池材料設(shè)計(jì)角度，可以開(kāi)發(fā)來(lái)防止熱失控的材料，阻斷熱失控的反應(yīng)；從電池管理角度，可以預(yù)測(cè)不同的溫度范圍，來(lái)含義不同的安全等級(jí)，從而進(jìn)行分級(jí)報(bào)警。

(2)過(guò)充電觸發(fā)熱失控

過(guò)充電觸發(fā)的熱失控是指電池管理系統(tǒng)本身對(duì)過(guò)充電的電路安全功能缺失，導(dǎo)致電池的BMS已經(jīng)失控卻還在充電導(dǎo)致的。針對(duì)這類(lèi)過(guò)充電的原因，解決辦法首先是查找充電機(jī)的故障，這可以通過(guò)充電機(jī)的完全冗余來(lái)解決；其次是看電池管理合不合理，比如說(shuō)沒(méi)有監(jiān)控每一節(jié)電池的電壓。

隨著電池的老化，各個(gè)電池之間的一致性會(huì)越來(lái)越差，這時(shí)過(guò)充就更容易發(fā)生。這要進(jìn)行整個(gè)電池組的均衡，來(lái)保持電池組一致性。比如采用先并后串這一最常見(jiàn)電池組組合方法的串聯(lián)的電池組，在解決單體一致性問(wèn)題后，最好的情況是擁有與最小容量的單體相同大的容量。有了這個(gè)一致性之后，容量回升了，同時(shí)也能防止過(guò)充。為了實(shí)現(xiàn)一致性，必須有一種方法對(duì)各個(gè)單體進(jìn)行容量估計(jì)?？梢愿鶕?jù)充電曲線的相似性來(lái)進(jìn)行全體電池組狀態(tài)的估計(jì)。也即是說(shuō)，只要了解了其中一個(gè)單體電池的充電曲線，其他的曲線應(yīng)該跟它是相似的。經(jīng)過(guò)曲線變化，它們可以近似重合，曲線變化的過(guò)程中間的這些差異就很容易計(jì)算。根據(jù)一個(gè)單體可以推算出其他的單體。有了這樣的方法，就可以進(jìn)行上文提到的一致性的均衡，當(dāng)然這種算法的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，要進(jìn)行簡(jiǎn)化。

(3)內(nèi)短路觸發(fā)熱失控電池制造雜質(zhì)、金屬顆粒、充放電膨脹的收縮、析鋰等都有可能造成內(nèi)短路。這種內(nèi)短路是緩慢發(fā)生的，時(shí)間非常長(zhǎng)，而且不了解它什么時(shí)候會(huì)出現(xiàn)熱失控。若進(jìn)行試驗(yàn)，無(wú)法重復(fù)驗(yàn)證。目前全世界專(zhuān)家還沒(méi)有找到能夠重復(fù)由雜質(zhì)引起的內(nèi)短路的過(guò)程，都在研究當(dāng)中。要解決內(nèi)短路問(wèn)題，首先要找到產(chǎn)品品質(zhì)好的電池廠商，選擇電池及電池單體容量；其次對(duì)內(nèi)短路進(jìn)行安全預(yù)測(cè)，在沒(méi)有發(fā)生熱失控之前，要找到有內(nèi)短路的單體。這意味著必須要找到單體的特點(diǎn)參數(shù)，可以先從一致性著手。電池是不一致的，內(nèi)阻也是不一致的，只要找到中間有變異的單體，就可以將其辨別出來(lái)。具體而言，正常的一個(gè)電池的等效電路和發(fā)生了微短路的等效電路，方程的形式實(shí)際上是相同的，只不過(guò)正常單體、微短路的單體的參數(shù)發(fā)生了變化?？梢葬槍?duì)這些參數(shù)來(lái)進(jìn)行研究，看其在內(nèi)短路變化中的一些特點(diǎn)。其中特點(diǎn)之一就是內(nèi)短路單體的電勢(shì)差，比較其內(nèi)阻跟其他單體的差異。研發(fā)人員要利用模型來(lái)進(jìn)行單體的辨識(shí)。在測(cè)出每個(gè)單體的電壓、電流后，利用這些數(shù)據(jù)再結(jié)合模型，就可以把每個(gè)單體的內(nèi)阻預(yù)估出來(lái)。再把單體的參數(shù)全部預(yù)估出來(lái)后，根據(jù)參數(shù)的變化，便可以判斷其一致性是否發(fā)生了顯著性變化。(4)機(jī)械觸發(fā)熱失控碰撞是典型的機(jī)械觸發(fā)熱失控的一種方式。假如在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行碰撞的一個(gè)仿真，最接近的是針刺。通過(guò)對(duì)三元鋰離子電池和磷酸鐵鋰離子電池進(jìn)行針刺試驗(yàn)，研究熱失控過(guò)程，發(fā)現(xiàn)磷酸鐵鋰離子電池在這個(gè)熱失控過(guò)程中沒(méi)有三元鋰離子電池放熱表現(xiàn)的那么劇烈。實(shí)驗(yàn)表明，不同的材料在針刺的時(shí)候會(huì)有不同的反應(yīng)，磷酸鐵鋰相對(duì)安全。解決碰撞觸發(fā)熱失控的辦法就是做好電池的安全保護(hù)設(shè)計(jì)。

一般而言，熱失控發(fā)生之后，會(huì)往下傳播。比如第一節(jié)熱失控之后會(huì)有傳熱，開(kāi)始傳播，然后整組像放鞭炮似的一個(gè)一個(gè)接下來(lái)。針對(duì)這種傳播，可以建立一個(gè)模型，包含中間溫度升高率、化學(xué)能電能的產(chǎn)熱、傳熱對(duì)流等。整個(gè)熱電耦合的模型，可以用量熱儀來(lái)做一個(gè)相關(guān)的定量分析。有了傳播模型，研發(fā)人員可以設(shè)計(jì)如何來(lái)阻斷和抑制，這要加隔熱層。但是，加隔熱層并不簡(jiǎn)單，一方面加厚了體積大，另一方面隔熱層跟冷卻又是矛盾的。這些都是要解決的問(wèn)題?？傊?，在熱失控?cái)U(kuò)展和抑制方面，研發(fā)人員要從安全保護(hù)設(shè)計(jì)和電池管理兩個(gè)方面著手。、

電池?zé)崾Э氐念A(yù)測(cè)

美國(guó)德克薩斯大學(xué)阿靈頓分校的KrishnaShah對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э噩F(xiàn)象進(jìn)行了分析，并建立了一套鋰離子電池?zé)崾Э氐念A(yù)測(cè)機(jī)制，關(guān)于鋰離子電池的安全設(shè)計(jì)具有重要的參考意義。相關(guān)研究顯示，鋰離子電池?zé)崾Э剡^(guò)程重要由一下反應(yīng)組成：SEI膜分解，電解液和粘結(jié)劑發(fā)生反應(yīng)，電解液和正極活性物質(zhì)發(fā)生分解。

影響鋰離子電池?zé)崾Э氐囊蛩乜梢苑譃閮蓚€(gè)，一個(gè)是電池內(nèi)部的產(chǎn)熱速率，另外一個(gè)是鋰離子電池的散熱速率。傳統(tǒng)的熱分析工具，一般假設(shè)鋰離子電池的產(chǎn)熱在整個(gè)體積內(nèi)是均勻的，因此這些工具分析認(rèn)為熱失控與電池的熱導(dǎo)率無(wú)關(guān)，這與鋰離子電池在實(shí)際中的情況是不同的，因此預(yù)測(cè)結(jié)果也是不準(zhǔn)確的。研究顯示，即使在26650電池內(nèi)部也存在這很大的熱梯度，因此傳統(tǒng)的方法和工具無(wú)法來(lái)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電池內(nèi)部和外部的熱狀態(tài)。

為了解決上述問(wèn)題，KrishnaShah在傳統(tǒng)的鋰電熱分析模型上加入了熱導(dǎo)率參數(shù)，從而出現(xiàn)了一個(gè)無(wú)量綱參數(shù)熱失控?cái)?shù)(TRN)。首先KrishnaShah建立了一個(gè)電池溫度與產(chǎn)熱和散熱的之間的等式關(guān)系，如下所示

對(duì)公式之中的產(chǎn)熱函數(shù)Q(T)在溫度為T(mén)0處進(jìn)行泰勒展開(kāi)，忽略高階項(xiàng)可得到如下公式

然后該公式要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的數(shù)學(xué)求解過(guò)程，小編實(shí)在看不懂就不給大家介紹了，讓我們直接看結(jié)果吧。最后推導(dǎo)獲得如下結(jié)果

在整個(gè)操作范圍內(nèi)，都必須滿足上述公式才能保證不發(fā)生熱失控。該公式結(jié)合了電池內(nèi)部熱傳遞kr，電池表面散熱μ1，電池產(chǎn)熱速率參數(shù)β以及電池半徑等參數(shù)。而電池的產(chǎn)熱速率參數(shù)β和電池散熱以及熱導(dǎo)率系數(shù)是控制鋰離子電池?zé)崾Э氐年P(guān)鍵參數(shù)，通過(guò)增大β值，TRN值也響應(yīng)增大，當(dāng)TRN>1時(shí)，電池就會(huì)發(fā)生熱失控，而TRN<1是電池則不會(huì)發(fā)生熱失控，要注意的是，β并不是一個(gè)固定的值，而是隨著溫度的升高而不斷增大，因此TRN也會(huì)隨之增大。

電池的散熱重要由兩步構(gòu)成，電池內(nèi)部的熱傳導(dǎo)和電池外部的熱對(duì)流，因此在β一定的前提下，就要調(diào)整電池的熱導(dǎo)率kr和表面散熱參數(shù)μ1來(lái)保證TRN<1，從而保證電池的安全性。例如當(dāng)β=6000W/m3K，kr和μ1的安全范圍如上圖所示。

通過(guò)KrishnaShah的工作，在電池的安全設(shè)計(jì)中我們可以利用TRN公式來(lái)計(jì)算鋰離子電池的熱安全系數(shù)，β值和kr值可以通過(guò)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)就行測(cè)量，根據(jù)不同材料的β值和kr值，可以對(duì)電池的R值和表面散熱μ1進(jìn)行調(diào)整，保證TRN<1，確保鋰離子電池的安全性。