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锂离子电池热失控蔓延研究进展

作者:  来源: 储能科学与技术  发布日期:2018-11-02

锂离子动力电池作为电动汽车的主流动力源,具有高比能量的特点。而目前汽车用动力电池多采用数量较多的小容量电池进行串并联成组以满足高能量的要求。这样,汽车动力电池系统的安全问题就不再仅仅是电池单体的安全问题,而是电池成组安全问题。近年发生的汽车动力电池事故,均是由于电池组中的某一个电池单体发生热失控后产生大量热,导致周围电池单体受热产生热失控。这样,电池组内的热失控蔓延问题就是电池成组安全问题的主要关注点。

如果探究清楚热失控蔓延的机制,有效地对热失控的蔓延进行阻隔,使热失控局限于电池单体,就可以将危害降到最低。目前针对电池热失控蔓延的研究还不多,近些年电池安全问题受到关注之后有部分学者对动力电池热失控蔓延进行了试验和仿真研究。电池热失控蔓延的有效防控技术的相关研究也在开展。本工作将围绕热失控蔓延机制及建模研究、热失控蔓延安全防控技术这两个方面,对其研究现状进行综述,并探讨热失控蔓延相关研究的发展方向。

重点内容导读

1  热失控蔓延机制研究现状

1.1  热失控蔓延机理研究

已经有大量学者进行了锂离子动力电池单体的热失控机理的研究。图1为某款NCM三元/石墨锂离子动力电池单体的热失控机理,可以看到热失控发生时,各种材料相继发生热分解反应,使得电池体系内部温度不可逆的快速升高。具体包括:SEI膜分解,负极与电解液反应,正极分解,电解液分解,电解液燃烧等。电池热失控过程的放热速率开始时是缓慢增加的,直到某一温度点时,放热速率开始快速增加,电池进行剧烈的能量释放,称为热失控触发温度(TRonset)。

图1  三元/石墨锂离子动力电池单体热失控反应机理

FENG等针对6节25 A·h三元锂离子电池组成的串联模块,进行了针刺触发的热失控实验,进而对热失控蔓延机理做了分析。当方壳型电池发生热失控时,通过电池正面接触而产生的侧向加热非常剧烈,导致被加热电池内部在厚度方向上温度梯度很大,热失控蔓延的发生是由于电池前端面温度达到热失控触发温度来判定,见图2。

(a)热失控蔓延温度分布  

(b)电池中心温度

图2  方壳电池热失控蔓延过程示意图

热失控的发生意味着隔膜的崩溃,同时发生大规模内短路,因而对于两节并联电池,在热失控蔓延过程中,电压下降和热失控发生时间呈现一定的相关性,见图3。

图3  热失控蔓延电压特性

1.2  热失控蔓延模型研究

单体热失控模型是热失控蔓延模型的基础,因此,下面将分别针对单体电池热失控建模与热失控蔓延建模方面的研究进行概述。

图4  热失控蔓延三维模型的温度分布

1.3  热失控蔓延影响因素

影响热失控蔓延特性的因素有很多,首先是电池本身的热失控特性,如电池热失控特征温度、能量释放速率等;其次电池的散热条件以及电池之间的传热条件,如前所述,热量传递是电池组热失控蔓延的重要原因,因此传热特性也是直接影响热失控蔓延速率的重要因素;另外,电池发生热失控时会喷出高温气体和颗粒混合物,这些气体具有可燃性,极易发生起火,这些高温喷出物以及喷出物燃烧产生的火焰会加热周围电池,从而加速热失控蔓延的进程;除此以外,电池之间的电连接也会影响热失控的蔓延。

(a)

(b)

图5  热失控蔓延热流途径分析

(a)M型连接

(b)S型连接

图6  两种并联连接形式

2  热失控蔓延防控技术研究现状

目前已有的热失控蔓延防控方面的研究是从模组或电池包的角度,主要通过热管理的手段,抑制热失控在电池之间的蔓延,以防止电池包中一节电池发生热失控后,逐渐蔓延到周围电池。对于方壳型电池来说,通过防控技术使得相邻电池前端面温度无法达到热失控触发温度TRonset,就可以实现热失控蔓延的抑制。

2.1  空气冷却

空气冷却是一种较为简单的热管理方法,且由于其在成本和体积效率上的优势被一些混合动力汽车采用,例如丰田Prius、Encrl Think City等。

图7  空冷流道设计

2.2  液  冷

液冷系统通常由水泵驱动液体流动,液体不与电池直接接触,而是通过金属管、冷板等方式实现电池向冷却液中的热量传递,通常需要外部换热器件来实现冷却液中的热量散到环境中。由于冷却液一般具有较高的比热容,因此较容易实现电池组温度的一致性。并且具有较好的冷却效果,可以保证较大倍率下电池温度仍然在较合理的温度范围内。其缺点是冷却系统复杂,有管道、水泵、换热器等辅助器件,增加了系统的复杂度,同时冷却液的泄露风险也带来了新的安全性问题。

(a)常规管道液冷系统

(b)水凝胶液冷系统

图8  常规管道液冷与水凝胶液冷

2.3  相变冷却

风冷和水冷方法,除了还在研究中的水凝胶方法以外,都是主动冷却方法,需要在系统中加入额外的驱动器件,导致系统复杂度变高,而以相变冷却为主要手段的被动冷却在这方面优于风冷和液冷。相变材料冷却热管理可以分为固液相变和液汽相变。

图9  PCM相变材料及铝冷却块冷却效果对比

2.4  应急冷却技术

应急冷却技术是指当检测到电池热失控的发生时,针对热失控及其周围电池进行冷却剂喷淋,以降低局部温度,达到抑制热失控蔓延的目的。

2.5  防火安全性设计

电池发生热失控,常常伴随着高温气体的喷出,由于喷气气流速度快、电池内部结构被破坏,电池内部部分材料会随气流一起喷出。这些喷出物一方面温度较高,接触周围电池会加速热失控的蔓延;另一方面具有可燃性,喷出过程极易产生火星,喷出后在空气环境中易于起火。如何对喷出物进行火灾防控,是需要研究的重要问题。

结  语

动力电池热失控蔓延的主要影响因素是传热、电连接、喷出物起火。对于方壳及软包电池来说,传热可能是最重要的影响因素。当方壳型电池发生热失控时,热失控蔓延的发生是由于电池前端面温度达到热失控触发温度TRonset来判定。为了对热失控蔓延过程进行仿真研究,可以建立不同维度的热失控蔓延模型,其中三维模型的仿真准确度最高,可获得的信息最多,但计算量也最大。

在热管理方面,目前多数研究还是从正常工况下的温度控制角度进行,针对热失控蔓延抑制的研究还不太多。在几种热管理手段中,液冷、相变冷却、应急冷却可能是抑制热失控蔓延较有效的方法。热管理系统在考虑管理效果的同时,还要考虑其对电池组成组效率、成本增加、复杂程度等方面的影响。防火安全性设计目前主要是一些简化的试验研究,缺乏有力的数据支撑,因此有必要从电池热失控可燃性气体成分、流动等角度,为防火设计提供更多的理论研究基础。

【引用本文】

陈天雨,高  尚,冯旭宁,等. 锂离子电池热失控蔓延研究进展[J]. 储能科学与技术,2018,7(6):1030-1039.

CHEN Tianyu, GAO Shang, FENG Xuning, et al. Recent progress on thermal runaway propagation of lithium-ion battery[J]. Energy Storage Science and Technology, 2018,7(6):1030-1039.