鋰離子電池?zé)崾Э芈友芯窟M(jìn)展

陳天雨，高 尚，馮旭寧,2，盧蘭光，歐陽明高

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鋰離子電池?zé)崾Э芈友芯窟M(jìn)展

陳天雨1，高 尚1，馮旭寧1,2，盧蘭光1，歐陽明高1

（1清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；2清華大學(xué)核能與新能源研究院，北京 100084）

簡述了電動汽車鋰離子動力電池?zé)崾Э芈訖C(jī)理、建模與抑制技術(shù)的最新研究進(jìn)展。為了滿足汽車高能量的要求，需要動力電池進(jìn)行串并聯(lián)成組來提供動力。電池組成組安全問題成為電動汽車大規(guī)模應(yīng)用的重要技術(shù)問題。電池組中的某一個電池單體發(fā)生熱失控后產(chǎn)生大量熱，導(dǎo)致周圍電池單體受熱產(chǎn)生熱失控。因而，電池組成組安全問題的重要關(guān)注點(diǎn)是電池組內(nèi)的熱失控蔓延問題。本文對鋰離子電池?zé)崾Э芈訂栴}的國內(nèi)外研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，分析了對于不同種類鋰離子動力電池影響其熱失控蔓延特性的主要因素。總結(jié)了文獻(xiàn)中的熱失控蔓延建模方法，并指出了已有方法的不足。從電池系統(tǒng)熱安全管理的角度，闡述并分析了熱失控蔓延防控技術(shù)的研究成果與方向。最后對鋰離子電池?zé)崾Э芈友芯窟M(jìn)行了展望。

鋰離子電池；熱失控；熱失控蔓延

鋰離子動力電池作為電動汽車的主流動力源，具有高比能量的特點(diǎn)。而目前汽車用動力電池多采用數(shù)量較多的小容量電池進(jìn)行串并聯(lián)成組以滿足高能量的要求。這樣，汽車動力電池系統(tǒng)的安全問題就不再僅僅是電池單體的安全問題，而是電池成組安全問題。近年發(fā)生的汽車動力電池事故，均是由于電池組中的某一個電池單體發(fā)生熱失控后產(chǎn)生大量熱，導(dǎo)致周圍電池單體受熱產(chǎn)生熱失控。這樣，電池組內(nèi)的熱失控蔓延問題就是電池成組安全問題的主要關(guān)注點(diǎn)。

如果探究清楚熱失控蔓延的機(jī)制，有效地對熱失控的蔓延進(jìn)行阻隔，使熱失控局限于電池單體，就可以將危害降到最低。目前針對電池?zé)崾Э芈拥难芯窟€不多，近些年電池安全問題受到關(guān)注之后有部分學(xué)者對動力電池?zé)崾Э芈舆M(jìn)行了試驗(yàn)和仿真研究。電池?zé)崾Э芈拥挠行Х揽丶夹g(shù)的相關(guān)研究也在開展。本工作將圍繞熱失控蔓延機(jī)制及建模研究、熱失控蔓延安全防控技術(shù)這兩個方面，對其研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，并探討熱失控蔓延相關(guān)研究的發(fā)展方向。

1 熱失控蔓延機(jī)制研究現(xiàn)狀

1.1 熱失控蔓延機(jī)理研究

已經(jīng)有大量學(xué)者進(jìn)行了鋰離子動力電池單體的熱失控機(jī)理的研究[1-10]。圖1為某款NCM三元/石墨鋰離子動力電池單體的熱失控機(jī)理[11]，可以看到熱失控發(fā)生時，各種材料相繼發(fā)生熱分解反應(yīng)，使得電池體系內(nèi)部溫度不可逆的快速升高。具體包括：SEI膜分解，負(fù)極與電解液反應(yīng)，正極分解，電解液分解，電解液燃燒等。電池?zé)崾Э剡^程的放熱速率開始時是緩慢增加的，直到某一溫度點(diǎn)時，放熱速率開始快速增加，電池進(jìn)行劇烈的能量釋放，稱為熱失控觸發(fā)溫度（onset）[11]。

圖1 三元/石墨鋰離子動力電池單體熱失控反應(yīng)機(jī)理[11]

單節(jié)電池?zé)崾Э赜|發(fā)之后釋放大量的熱，這些熱一部分留在電池內(nèi)部使電池溫度急劇升高，溫度升高的電池以對流、導(dǎo)熱、輻射等形式將熱傳到相鄰電池，另一部分能量在噴閥過程中隨著氣體和顆粒物而流出，并隨著氣流流動將能量傳到周圍電池處。當(dāng)被觸發(fā)熱失控電池周邊的電池溫度達(dá)到熱失控觸發(fā)溫度onset時，即發(fā)生熱失控的蔓延[12]。單體電池?zé)崾Э厮尫诺哪芰渴怯邢薜?，但是，如果發(fā)生熱失控蔓延，整個電池組甚至電池包的能量通過熱失控釋放出來，將會造成極大的危害。

FENG等[13]針對6節(jié)25 A·h三元鋰離子電池組成的串聯(lián)模塊，進(jìn)行了針刺觸發(fā)的熱失控實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而對熱失控蔓延機(jī)理做了分析。當(dāng)方殼型電池發(fā)生熱失控時，通過電池正面接觸而產(chǎn)生的側(cè)向加熱非常劇烈，導(dǎo)致被加熱電池內(nèi)部在厚度方向上溫度梯度很大，熱失控蔓延的發(fā)生是由于電池前端面溫度達(dá)到熱失控觸發(fā)溫度來判定，見圖2。

圖2 方殼電池?zé)崾Э芈舆^程示意圖[13]

熱失控的發(fā)生意味著隔膜的崩潰，同時發(fā)生大規(guī)模內(nèi)短路，因而對于兩節(jié)并聯(lián)電池，在熱失控蔓延過程中，電壓下降和熱失控發(fā)生時間呈現(xiàn)一定的相關(guān)性，見圖3。

LAMB等[14]利用10節(jié)2.2 A·h的18650電池組成的簡易串并聯(lián)模塊進(jìn)行針刺觸發(fā)熱失控蔓延實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示串聯(lián)模塊沒有發(fā)生熱失控蔓延，而并聯(lián)模塊發(fā)生了熱失控蔓延。這是因?yàn)樵诓⒙?lián)模塊中，熱失控單體處會產(chǎn)生短路，其它電池向其放電，導(dǎo)致熱失控電池溫度升高更多，同時，靠近熱失控觸發(fā)單體的電池相比遠(yuǎn)端電池以更大功率放電，導(dǎo)致其溫度升高更多。這樣，并聯(lián)模組中熱失控單體及其周圍單體溫度升高更多，從而促進(jìn)了熱失控的蔓延。

圖3 熱失控蔓延電壓特性[13]

胡棋威[15]針對1.5 A·h、2.2 A·h、6 A·h 3種不同容量的圓柱型電池分別在敞開體系和封閉體系中進(jìn)行了熱失控蔓延研究。試驗(yàn)中將3節(jié)電池并排放置而沒有進(jìn)行連接，通過電爐絲加熱其中一節(jié)電池至熱失控。試驗(yàn)結(jié)果表明，發(fā)生熱失控的電池單體均出現(xiàn)了起火或爆炸，在封閉體系中熱失控蔓延比在開放環(huán)境下更容易發(fā)生，這可能是因?yàn)樵陂_放環(huán)境中熱失控單體噴出的火焰沒有充足的加熱到相鄰的電池單體，但在封閉環(huán)境中火焰將會加熱周圍電池單體，導(dǎo)致周圍電池更容易發(fā)生熱失控。

可以看到，傳熱、電連接、噴出物起火是引起熱失控蔓延發(fā)生的幾個直接因素，在不同電池、不同成組方式以及不同模組環(huán)境下，引發(fā)熱失控蔓延的主要因素會有所差別。在圓柱電池模組中，熱失控蔓延可能主要由電連接、噴出高溫物質(zhì)等因素影響，而對于方殼及軟包電池，傳熱可能是更重要的影響因素。

1.2 熱失控蔓延模型研究

單體熱失控模型是熱失控蔓延模型的基礎(chǔ)，因此，下面將分別針對單體電池?zé)崾Э亟Ｅc熱失控蔓延建模方面的研究進(jìn)行概述。

單體熱失控模型可以用于預(yù)測電池的熱失控特性，并指導(dǎo)單體電池的安全性設(shè)計(jì)[16]。通過模型可以模擬電池材料、形狀大?。ㄈ鐖A柱形電池的直徑、方殼電池的厚度）等做出更改設(shè)計(jì)后，電池?zé)岚踩匦缘淖兓?，從而在電芯安全性設(shè)計(jì)中提高效率、減小成本。

在2001年，DAHN等[17]首次提出鋰離子電池?zé)崾Э貦C(jī)理模型，針對的是錳酸鋰電池和鈷酸鋰電池，他們認(rèn)為熱失控的反應(yīng)機(jī)理主要包括負(fù)極反應(yīng)和正極反應(yīng)兩部分。SPOTNITZ和FRANKLIN[2]在2003年指出熱失控過程的反應(yīng)機(jī)理如下：①SEI膜分解；②負(fù)極中嵌入的鋰與電解液反應(yīng)（溫度大于120 ℃）；③負(fù)極與氟化黏合劑；④電解液分解（溫度大于200℃）；⑤正極活性材料分解。他們利用熱失控機(jī)理模型預(yù)測了熱箱實(shí)驗(yàn)、過充實(shí)驗(yàn)、短路實(shí)驗(yàn)以及針刺實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但是并未進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。KIM等[18]在2007年將集總參數(shù)單體熱失控機(jī)理模型擴(kuò)展為三維熱失控機(jī)理模型，考慮的放熱機(jī)理反應(yīng)為SPOTNITZ等[2]提到的5個反應(yīng)，并且利用三維模型分析了電池?zé)崾Э貢r內(nèi)部的傳播過程。在2015年，LOPEZ等[19]對電池?zé)崾Э貦C(jī)理進(jìn)行進(jìn)一步地分析，認(rèn)為是SEI膜分解，負(fù)極與電解液反應(yīng)放出的熱量，使得電池升溫到200 ℃左右，引起正極與電解液的釋氧反應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致電解液的分解與燃燒，發(fā)生熱失控?；贙IM等的建模思路，對圓柱電池和方殼電池進(jìn)行了熱失控機(jī)理建模，并且增加了電解液燃燒的修正，使得模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果匹配更準(zhǔn)確。以上主要是對小容量電池和鈷酸鋰電池的建模與分析，對于大容量電池和其它電池的熱失控機(jī)理模型的研究也有較多。在2010年，GUO等[20]對磷酸鐵鋰55 A·h電池進(jìn)行了熱失控機(jī)理建模的工作，他們認(rèn)為磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э貦C(jī)理反應(yīng)如下：SEI膜在100 ℃開始分解，然后負(fù)極與電解液開始反應(yīng)。在143 ℃，PP/PE/PP隔膜產(chǎn)生閉孔效應(yīng)，在150 ℃以上隔膜熔化從而引發(fā)大規(guī)模內(nèi)短路，導(dǎo)致熱失控發(fā)生。這一機(jī)理模型可以預(yù)測熱箱實(shí)驗(yàn)是否發(fā)生熱失控。在2015年FENG等[21]對大容量鋰離子電池進(jìn)行了建模，其中熱失控產(chǎn)熱部分考慮了電能釋放的能量，使得模型與ARC實(shí)驗(yàn)結(jié)果匹配良好。

單體電池?zé)崾Э亟Ｖ饕獋?cè)重于考慮副反應(yīng)機(jī)理的建模，預(yù)測電池在熱失控過程中的溫度變化規(guī)律。描述電池材料副反應(yīng)的規(guī)律，需要各個副反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)作為輸入，如反應(yīng)的焓變、活化能、向前因子、反應(yīng)階數(shù)等等，描述方法主要為化學(xué)反應(yīng)的阿倫尼烏茲公式；描述電池溫度的變化規(guī)律，需要電池的熱物性參數(shù)作為輸入，如電池的密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)等，描述方法主要為固體傳熱方程。

相比于單體熱失控模型，熱失控蔓延模型側(cè)重于對熱失控在電池之間蔓延過程的模擬，其主要問題在于兩點(diǎn)，一是如何定義電池?zé)崾Э胤艧峁β?，以最小的?jì)算成本實(shí)現(xiàn)溫度演變過程的準(zhǔn)確模擬；二是如何描述單體之間的能量傳遞過程。目前文獻(xiàn)中的熱失控蔓延模型，從仿真的維度來看，可以分為零維模型[21-22]、二維模型[23-24]、三維模型[25-27]，維度越高計(jì)算準(zhǔn)確度越高，可獲得的信息越多，但計(jì)算量也越大。

SPOTNITZ等[22]建立了8節(jié)18650電池組成的電池組熱失控蔓延集總參數(shù)模型，其將熱失控反應(yīng)速率假定為與溫度相關(guān)的正態(tài)分布規(guī)律，而FENG等[21]建立的6節(jié)方殼電池集總參數(shù)模型，使用經(jīng)過ARC試驗(yàn)驗(yàn)證的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型作為熱失控產(chǎn)熱模型。兩者均忽略了電池內(nèi)部的溫度分布，電池之間與電池與環(huán)境的傳熱采用等效熱阻進(jìn)行計(jì)算。

SMYSHLYAEV等[23]、COLEMAN等[24]針對圓柱型電池組成的電池組，建立了二維熱失控蔓延模型，兩者均采用恒定功率來模擬熱失控的放熱過程；在傳熱計(jì)算方面，SMYSHLYAEV等[23]對二維傳熱方程進(jìn)行了簡化，COLEMAN等[24]則是利用二維有限元法進(jìn)行傳熱計(jì)算。

三維熱失控蔓延模型方面，主要有CHEN等[25]、FENG等[26]、XU等[27]的研究，三者對于傳熱的計(jì)算均采用有限元法。在熱失控生熱的設(shè)置上，CHEN等[25]使用C80量熱試驗(yàn)得到的單體熱失控放熱功率與溫度之間的關(guān)系，以查表的方式作為生熱功率輸入，其使用的查表溫度采用電池平均溫度；FENG等[26]采用分段處理，在電池溫度未達(dá)到熱失控觸發(fā)溫度時，采用局部溫度在ARC試驗(yàn)得到的生熱曲線中進(jìn)行查表，當(dāng)溫度達(dá)到熱失控觸發(fā)溫度時，認(rèn)為電池以恒功率進(jìn)行熱失控生熱，其仿真得到的電池組溫度場如圖4所示。XU等[27]則直接采用化學(xué)反應(yīng)的Arrhenius公式來計(jì)算反應(yīng)速率，進(jìn)而計(jì)算熱失控生熱功率。

圖4 熱失控蔓延三維模型的溫度分布[26]

從計(jì)算結(jié)果來看，以上研究中只有FENG等[21, 26]的集總參數(shù)模型和三維模型對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。從模型維度來看，三維模型可以得到電池內(nèi)部的溫度場分布，計(jì)算精度更高，適用于對熱失控蔓延規(guī)律的研究。但是由于三維模型計(jì)算量大，如果用Arrhenius公式來計(jì)算熱失控副反應(yīng)速率及熱失控放熱功率，會造成模型自由度過多，計(jì)算速度過慢，因此FENG等[26]所采用的利用ARC試驗(yàn)數(shù)據(jù)，使用局部溫度進(jìn)行查表的方法是比較合理的簡化計(jì)算方法。但以上蔓延模型均沒有考慮電池?zé)崾Э睾蟮馁|(zhì)量減小、熱傳導(dǎo)性的變化。

1.3 熱失控蔓延影響因素

影響熱失控蔓延特性的因素有很多，首先是電池本身的熱失控特性，如電池?zé)崾Э靥卣鳒囟?、能量釋放速率等；其次電池的散熱條件以及電池之間的傳熱條件，如前所述，熱量傳遞是電池組熱失控蔓延的重要原因，因此傳熱特性也是直接影響熱失控蔓延速率的重要因素；另外，電池發(fā)生熱失控時會噴出高溫氣體和顆?；旌衔?，這些氣體具有可燃性，極易發(fā)生起火，這些高溫噴出物以及噴出物燃燒產(chǎn)生的火焰會加熱周圍電池，從而加速熱失控蔓延的進(jìn)程；除此以外，電池之間的電連接也會影響熱失控的蔓延。

FENG等[21, 26]通過建立熱失控蔓延的集總參數(shù)模型和三維模型，仿真分析了熱失控觸發(fā)溫度、電池?zé)崾Э胤艧崃康纫蛩貙崾Э芈铀俾实挠绊?。熱失控觸發(fā)溫度升高意味著熱失控更難觸發(fā)，熱失控總放熱量減少意味著向周圍電池的傳熱量減少，這些變化都可以延緩熱失控的蔓延。熱失控的觸發(fā)溫度與電池材料的熱穩(wěn)定性相關(guān)，熱失控總放熱量隨著電池SOC的降低而降低。

FENG等[28]還分析了方殼型電池串聯(lián)模組熱失控蔓延過程中的熱流途徑，見圖5，分析結(jié)果顯示熱失控電池通過殼體向下一節(jié)電池的傳熱是主要的傳熱路徑，通過極柱連接片的傳熱量相對來說非常小，同時，有較多的熱量傳回上一節(jié)電池或散到環(huán)境中。COLEMAN等[24]、KIZILEL等[29]針對圓柱型電池的熱失控蔓延研究表明，電池間距增大時，熱失控蔓延會受到抑制，這是因?yàn)殡姵刂g的傳熱量減小，而電池向環(huán)境的傳熱量增加。熱流路徑分析對熱失控蔓延抑制方案的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)作用。由前述熱失控蔓延機(jī)理知道，熱失控蔓延的判定是要看下一節(jié)電池最高溫度是否達(dá)到熱失控觸發(fā)溫度，因此，各個傳熱路徑是否造成下一節(jié)電池局部熱點(diǎn)可能是更重要的，這方面還需要進(jìn)一步的研究分析。

圖5 熱失控蔓延熱流途徑分析[28]

SPOTNITZ等[22]利用其構(gòu)建的熱失控蔓延模型，對圓柱型電池組成的特定形式的電池組熱失控蔓延進(jìn)行了模擬，仿真忽略了電池單體內(nèi)部的溫度分布。仿真結(jié)果表明，電池組與環(huán)境的換熱條件越好，越不易發(fā)生熱失控；熱失控觸發(fā)電池在不同位置時會影響熱失控在電池組內(nèi)的蔓延情況，在某些條件下，只有在特定位置的電池產(chǎn)生熱失控才會導(dǎo)致熱失控在整個電池組內(nèi)的蔓延。FENG等[21]的研究也表明增加電池對環(huán)境的換熱系數(shù)，可以延緩或抑制熱失控蔓延的發(fā)生。

電池?zé)崾Э貒姵鑫镆约捌淙紵a(chǎn)生的火焰對熱失控蔓延的影響與模組所處環(huán)境、電池類型有關(guān)系。LIU等[30]的研究表明燃燒釋放的能量幾乎為電池儲存能量的3倍。而FENG等[13]的研究表明，開放環(huán)境下熱失控噴閥產(chǎn)生的火焰對熱失控蔓延影響不大，這是因?yàn)閲姵鑫锛盎鹧嬖跓崾Э仉姵氐恼戏?，并沒有直接接觸到相鄰電池。而部分文獻(xiàn)[14, 31-32]針對圓柱型電池的熱失控蔓延實(shí)驗(yàn)研究表明，當(dāng)熱失控電池噴出的高溫物質(zhì)直接接觸周圍電池時，會促進(jìn)熱失控蔓延的發(fā)生。

由于電池?zé)崾Э剡^程中會發(fā)生內(nèi)短路，對于并聯(lián)電池組來說，某節(jié)電池?zé)崾Э睾?，與其并聯(lián)的電池會向其放電，引起其溫度進(jìn)一步的升高，可能會加速熱失控蔓延的發(fā)生。WILKE等[33]的研究表明，并聯(lián)狀態(tài)下的電池發(fā)生熱失控后產(chǎn)生的溫升高于沒有電連接或串聯(lián)電池組。LOPEZ等[31]的研究表明，同樣的并聯(lián)模塊，不同的連接順序也會對熱失控蔓延產(chǎn)生影響，對于9P電池組來說，中心電池作為熱失控觸發(fā)電池，S型連接形式周邊的電池最高溫度以及實(shí)驗(yàn)后電壓狀況都會比M型連接要差很多，見圖6。

對熱失控蔓延各個影響因素的影響程度進(jìn)行研究，可以為之后的熱失控蔓延防控設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，而目前這方面缺少較為量化的研究，只有FENG等在研究中對熱流途徑熱流量進(jìn)行了定量的計(jì)算。由于熱失控蔓延防控設(shè)計(jì)同時要考慮到電池成組效率、成本、系統(tǒng)復(fù)雜度等多方面的因素，因此要進(jìn)行最優(yōu)化的設(shè)計(jì)就需要對影響熱失控蔓延的各個因素做出定量的分析，針對主要影響因素進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖6 兩種并聯(lián)連接形式[31]

2 熱失控蔓延防控技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前已有的熱失控蔓延防控方面的研究是從模組或電池包的角度，主要通過熱管理的手段，抑制熱失控在電池之間的蔓延，以防止電池包中一節(jié)電池發(fā)生熱失控后，逐漸蔓延到周圍電池。對于方殼型電池來說，通過防控技術(shù)使得相鄰電池前端面溫度無法達(dá)到熱失控觸發(fā)溫度onset，就可以實(shí)現(xiàn)熱失控蔓延的抑制。

常規(guī)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)從是否依靠能量輸入驅(qū)動角度，可以分為主動冷卻和被動冷卻，主動冷卻通常使用風(fēng)扇或泵來循環(huán)冷卻劑，被動冷卻不依賴于外部為冷卻系統(tǒng)提供能量，依靠電池之間的冷卻介質(zhì)吸收熱量；從冷卻介質(zhì)物相角度，可以分為氣體單相冷卻、液體單相冷卻、液汽相變冷卻、固液相變冷卻等，或幾種方式的結(jié)合。除了常規(guī)的熱管理系統(tǒng)，也有一些專門針對模組安全性而設(shè)計(jì)的熱管理方法，包括應(yīng)急冷卻液噴淋、電池包防火排氣結(jié)構(gòu)等。下文對主要的熱管理方法進(jìn)行總結(jié)，并探討是否可能應(yīng)用作為熱失控蔓延的防控手段。

2.1 空氣冷卻

空氣冷卻是一種較為簡單的熱管理方法，且由于其在成本和體積效率上的優(yōu)勢被一些混合動力汽車采用，例如豐田Prius、Encrl Think City等。

強(qiáng)制空氣冷卻在小容量電池、小倍率電流等情況下能夠保證較好的冷卻效果，其問題在于保證電池組溫度一致性、大功率工況冷卻效果等方面存在缺點(diǎn)[34]。WU等[34]及ZHANG等[35]的研究表明，自然對流無法保證熱管理有效性，必須通過風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制對流。然而在大倍率放電的情況下，電池產(chǎn)熱增加，風(fēng)機(jī)運(yùn)行消耗能量，空冷效果會下降[36]。豐田Prius通過將空調(diào)系統(tǒng)與電池風(fēng)冷系統(tǒng)結(jié)合，來加強(qiáng)風(fēng)冷的效果[37]。MICHAEL等[38]利用金屬泡沫狀結(jié)構(gòu)增加電池和空氣之間的換熱面積，以加強(qiáng)冷卻效果。同時，為了保證電池組溫度一致性，需要對氣體流道進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，以避免局部熱點(diǎn)的出現(xiàn)[39]，見圖7。研究者通過流動方向交替循環(huán)控制、空氣循環(huán)流向設(shè)計(jì)、流道形狀設(shè)計(jì)等方法以期改善電池組溫度一致性的問題[37, 40-41]。

圖7 空冷流道設(shè)計(jì)[39]

通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，風(fēng)冷系統(tǒng)可以保證正常工況下電池包對熱管理的需求。然而，在濫用工況下，風(fēng)冷系統(tǒng)對熱失控蔓延的抑制效果還有待研究。KIZILEL等[29]的研究表明，對于18650電池，只有電池間距較大時風(fēng)冷系統(tǒng)才能夠抑制熱失控在電池之間的蔓延。而對于大容量的方殼或軟包型電池，電池之間的接觸面積大，且電池發(fā)生熱失控時容易發(fā)生鼓包變形，這就導(dǎo)致單純的風(fēng)冷系統(tǒng)較難實(shí)現(xiàn)對由這兩種電池組成的電池組的熱失控蔓延抑制。

2.2 液 冷

液冷系統(tǒng)通常由水泵驅(qū)動液體流動，液體不與電池直接接觸，而是通過金屬管、冷板等方式實(shí)現(xiàn)電池向冷卻液中的熱量傳遞，通常需要外部換熱器件來實(shí)現(xiàn)冷卻液中的熱量散到環(huán)境中。由于冷卻液一般具有較高的比熱容，因此較容易實(shí)現(xiàn)電池組溫度的一致性[24]。并且具有較好的冷卻效果，可以保證較大倍率下電池溫度仍然在較合理的溫度范圍內(nèi)[42]。其缺點(diǎn)是冷卻系統(tǒng)復(fù)雜，有管道、水泵、換熱器等輔助器件，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度，同時冷卻液的泄露風(fēng)險也帶來了新的安全性問題。

ZHANG等[43]提出了一種水性PAAS（聚丙烯酸鈉）水凝膠熱管理系統(tǒng)，并用仿真驗(yàn)證了此方案的效果，見圖8。水凝膠冷卻系統(tǒng)兼具常規(guī)液冷系統(tǒng)的冷卻效果及溫度一致性保障性能以及高能效、易制造、緊湊、成本低等優(yōu)點(diǎn)。ZHAO等[36]進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證實(shí)了水凝膠熱管理系統(tǒng)的效果，以及對針刺熱失控的抑制效果，當(dāng)電池機(jī)械損傷發(fā)生時，水凝膠通過損傷口進(jìn)入電池中，因其具有較高黏性、較低導(dǎo)電性，可以實(shí)現(xiàn)對針刺誘發(fā)熱失控的抑制。由于水凝膠PAAS和水之間存在氫鍵，相對于水來說水凝膠中的水更不易汽化，保證了正常工作時的穩(wěn)定性，在熱失控狀態(tài)下也能吸收更多的能量。

針對方殼電池，LAN等[45]提出了一種微流道液冷系統(tǒng)，并通過仿真研究了不同工況下對流道尺寸、流速、功率消耗的需求。XU等[27]進(jìn)一步仿真研究了這種方案對于55 A·h電池?zé)崾Э芈右种频男Ч?。結(jié)果表明這種微流道液冷系統(tǒng)在具有足夠高的流速時可以抑制熱失控在電池之間的蔓延，但無法抑制單體熱失控的觸發(fā)。

圖8 常規(guī)管道液冷與水凝膠液冷

目前液冷方法在抑制熱失控蔓延方面的應(yīng)用還需要進(jìn)一步的研究。上述水凝膠以及微流道的研究雖然表明液冷可以實(shí)現(xiàn)熱失控或熱失控蔓延的抑制，但是缺乏系統(tǒng)性的研究，并沒有實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案，也沒有對成組效率影響的討論。

2.3 相變冷卻

風(fēng)冷和水冷方法，除了還在研究中的水凝膠方法以外，都是主動冷卻方法，需要在系統(tǒng)中加入額外的驅(qū)動器件，導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜度變高，而以相變冷卻為主要手段的被動冷卻在這方面優(yōu)于風(fēng)冷和液冷。相變材料冷卻熱管理可以分為固液相變和液汽相變。

固液相變通常是以石蠟為相變材料，由HALLAJ等[46]首先提出。石蠟相變依靠自身的相變潛熱，在溫度達(dá)到相變點(diǎn)時吸收較大量的熱量，以維持周圍溫度不劇烈升高。其缺點(diǎn)是相變材料的導(dǎo)熱性較差，一旦某節(jié)電池發(fā)生熱失控釋放大量的熱，相變材料不能及時將熱導(dǎo)出。為了克服PCM導(dǎo)熱性差的缺點(diǎn)，一些研究者將石蠟與膨脹石墨或金屬泡沫等材料組合形成復(fù)合相變材料，以改善冷卻效果[47-48]。KIZILEL等[29]及WILKE等[33]的研究表明，復(fù)合相變材料能夠有效抑制熱失控在18650電池組中的蔓延。COLEMAN等[24]將復(fù)合相變材料與液冷結(jié)合，通過仿真驗(yàn)證了這種方法在抑制熱失控蔓延方面的有效性，但是在熱失控條件下，使用復(fù)合相變材料與液冷結(jié)合不如使用鋁塊與液冷結(jié)合的方法效果好，見圖9。

液汽相變可以有浸泡式沸騰換熱[49]和熱管[50]等形式，其中熱管由于具有超高的導(dǎo)熱性、優(yōu)良的等溫性等特點(diǎn)，受到較多的關(guān)注。熱管是利用多孔結(jié)構(gòu)對液體的毛細(xì)作用，使用低沸點(diǎn)液體（冷卻介質(zhì)一般采用水或醇類或丙酮等），在負(fù)壓狀態(tài)的密封管內(nèi)，實(shí)現(xiàn)冷卻液的迅速相變與熱量傳遞，從而體現(xiàn)為超高的導(dǎo)熱特性。熱管需要與電池有較好的接觸，且需要冷凝端的充分冷卻[51]。PUTRA等[52]將平板回路熱管應(yīng)用于電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，并比較了不同冷卻介質(zhì)的效果。WU等[34]使用接管與鋁翅片應(yīng)用于熱管理，結(jié)果表明熱管能大幅減小電池的溫升。目前，還沒有針對熱管對熱失控蔓延抑制效果方面的研究。

圖9 PCM相變材料及鋁冷卻塊冷卻效果對比[24]

使用石蠟復(fù)合相變材料進(jìn)行熱失控蔓延抑制的研究相對來說較多，但主要針對圓柱形電池，由于其在導(dǎo)熱性方面具有一定的欠缺，對于大容量的方殼電池的熱失控蔓延抑制有效性還需進(jìn)一步的驗(yàn)證。熱管具有超高的導(dǎo)熱性，在熱失控蔓延抑制方面可能具有較大的研究價值。

2.4 應(yīng)急冷卻技術(shù)

應(yīng)急冷卻技術(shù)是指當(dāng)檢測到電池?zé)崾Э氐陌l(fā)生時，針對熱失控及其周圍電池進(jìn)行冷卻劑噴淋，以降低局部溫度，達(dá)到抑制熱失控蔓延的目的。

胡棋威[15]采用液氮噴淋的方式，針對兩節(jié)相距20 mm的18650電池，研究了應(yīng)急冷卻對熱失控及熱失控蔓延的抑制效果，結(jié)果表明，液氮噴淋能有效撲滅明火，且在選擇合適噴淋時機(jī)、足夠噴淋時長的條件下，能夠有效抑制熱失控在電池之間的蔓延。PRILUTSKY等[44]設(shè)計(jì)了一種噴淋管路，當(dāng)電池發(fā)生熱失控而導(dǎo)致局部溫度升高時，周圍管路上的開閥點(diǎn)因溫度升高而打開，管路中的冷卻劑對電池進(jìn)行噴淋冷卻。

應(yīng)急噴淋可以實(shí)現(xiàn)降溫冷卻、熄滅火焰等作用，在噴淋控制方面有通過安全閥進(jìn)行主動控制和溫度感應(yīng)器件被動控制兩種形式。目前的研究性工作還比較少，較多為發(fā)明專利，其實(shí)用性還需要進(jìn)一步的研究。

2.5 防火安全性設(shè)計(jì)

電池發(fā)生熱失控，常常伴隨著高溫氣體的噴出，由于噴氣氣流速度快、電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞[53]，電池內(nèi)部部分材料會隨氣流一起噴出。這些噴出物一方面溫度較高，接觸周圍電池會加速熱失控的蔓延；另一方面具有可燃性，噴出過程極易產(chǎn)生火星，噴出后在空氣環(huán)境中易于起火。如何對噴出物進(jìn)行火災(zāi)防控，是需要研究的重要問題。

針對電池噴出物加速熱失控蔓延的問題，DARCY等[54]針對18650電池模組設(shè)計(jì)了噴閥流道，以避免熱失控電池噴出物接觸周圍電池。針對噴出物起火問題，胡棋威[15]設(shè)計(jì)了一種液氮噴淋的方法，當(dāng)檢測到電池?zé)崾Э匕l(fā)生時，對問題電池進(jìn)行液氮噴淋，使電池降溫，同時以氮?dú)庀♂屩車鯕?，達(dá)到了熄滅明火的目的。而DARCY等[54]則使用鋁箔密封電池包，同時使用了一種輕質(zhì)碳纖維覆蓋在鋁箔表面，形成阻火屏障，當(dāng)電池?zé)崾Э貒姵鑫飶碾姵匕鼑姵鰰r，這種輕質(zhì)碳纖維能夠?qū)姵鑫锲鸬嚼鋮s作用，從而抑制了電池包外部明火的產(chǎn)生。另外有研究人員在專利中針對電池包防火做了一些設(shè)計(jì)。

防火安全性設(shè)計(jì)目前主要是一些簡化的試驗(yàn)研究，缺乏有力的數(shù)據(jù)支撐，因此有必要從電池?zé)崾Э乜扇夹詺怏w成分、流動等角度，為防火設(shè)計(jì)提供更多的理論研究基礎(chǔ)。

3 結(jié)語與展望

動力電池?zé)崾Э芈拥闹饕绊懸蛩厥莻鳠?、電連接、噴出物起火。對于方殼及軟包電池來說，傳熱可能是最重要的影響因素。當(dāng)方殼型電池發(fā)生熱失控時，熱失控蔓延的發(fā)生是由于電池前端面溫度達(dá)到熱失控觸發(fā)溫度onset來判定。為了對熱失控蔓延過程進(jìn)行仿真研究，可以建立不同維度的熱失控蔓延模型，其中三維模型的仿真準(zhǔn)確度最高，可獲得的信息最多，但計(jì)算量也最大。

在熱管理方面，目前多數(shù)研究還是從正常工況下的溫度控制角度進(jìn)行，針對熱失控蔓延抑制的研究還不太多。在幾種熱管理手段中，液冷、相變冷卻、應(yīng)急冷卻可能是抑制熱失控蔓延較有效的方法。熱管理系統(tǒng)在考慮管理效果的同時，還要考慮其對電池組成組效率、成本增加、復(fù)雜程度等方面的影響。防火安全性設(shè)計(jì)目前主要是一些簡化的試驗(yàn)研究，缺乏有力的數(shù)據(jù)支撐，因此有必要從電池?zé)崾Э乜扇夹詺怏w成分、流動等角度，為防火設(shè)計(jì)提供更多的理論研究基礎(chǔ)。

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Recent progress on thermal runaway propagation of lithium-ion battery

CHEN Tianyu1, GAO Shang1, FENG Xuning1,2, LU Languang1, OUYANG Minggao1

(1State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy, Tsinghua University, Beijing 100084, China;2Institute of Nuclear and New Energy Technology, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

The latest research progress in mechanism, modeling and inhibition technology of thermal runaway propagation of lithium-ion power batteries in electric vehicles are reviewed. To meet the high energy requirements of automobiles, power batteries are required to be connected in series and in parallel to provide power. The safety of battery packs has become an important technical issue for large-scale applications of electric vehicles. When a battery cell in the battery pack is in thermal runaway, a large amount of heat is generated, causing the surrounding battery cells to be thermally out of control. Therefore, an important concern of the battery pack safety problem is the problem of thermal runaway propagation in the battery pack. In this paper, the research progress of thermal runaway propagation of lithium-ion batteries at home and abroad is reviewed, and the main factors affecting the thermal runaway propagation characteristics of different types of lithium-ion power batteries are analyzed. The thermal runaway modeling method in the literature is summarized, and the shortcomings of the existing methods are pointed out. From the point of view of thermal safety management of battery system, the research achievements and research directions of thermal runaway propagation inhibition technology are expounded and analyzed. Finally, the future research on thermal runaway propagation has been prospected.

lithium-ion battery; thermal runaway; thermal runaway propagation

10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0167

TM 912.9

A

2095-4239（2018）06-1030-10

2018-08-31；

2018-09-09。

國家國際科技合作專項(xiàng)資助項(xiàng)目（2016YFE0102200），國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（U1564205，51706117），北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目（3184052），科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃新能汽車重點(diǎn)專項(xiàng)（2018YFB0104404）。

陳天雨（1992—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殇囯x子動力電池安全性，E-mail：cty16@mails.tsinghua.edu.cn；

歐陽明高，院士，主要研究方向?yàn)樾履茉雌噭恿ο到y(tǒng)學(xué)，E-mail：ouymg@tsinghua.edu.cn。