隨著電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，鋰離子電池得到了廣泛應(yīng)用，而鋰離子電池的安全問(wèn)題是電動(dòng)汽車發(fā)展的基礎(chǔ)。由于鋰離子電池的高能量密度以及其內(nèi)部電解液的可燃性，鋰離子電池在使用過(guò)程中頻繁發(fā)生熱失控，導(dǎo)致電動(dòng)汽車發(fā)生起火自燃事故，危害乘員的財(cái)產(chǎn)和生命安全。因此，深入了解和解決電池在運(yùn)行過(guò)程中可能發(fā)生的過(guò)熱問(wèn)題，研究鋰離子電池?zé)崾Э氐恼T因，這對(duì)于提高電池的安全性、穩(wěn)定性和壽命至關(guān)重要。

1、鋰離子電池?zé)崾Э卣T因

熱失控是鋰離子電池安全事故的共性特征，電池?zé)崾Э貑?wèn)題是當(dāng)前電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)安全的核心問(wèn)題。熱失控是指電池內(nèi)部出現(xiàn)放熱連鎖反應(yīng)引起電池溫升速率急劇變化的過(guò)熱現(xiàn)象，電池?zé)崾Э氐恼T發(fā)原因總結(jié)如下圖所示，主要包括：機(jī)械濫用、電濫用和熱濫用三類，三類誘因造成的熱失控都伴隨著電池的產(chǎn)氣現(xiàn)象。

（1）機(jī)械濫用

在機(jī)械外力作用下，電池隔膜破裂而引發(fā)內(nèi)部短路，使得能量快速釋放，會(huì)導(dǎo)致電池材料的形變及結(jié)構(gòu)的破壞。

（2）電濫用

因過(guò)充電或過(guò)放電，電極活性材料和電解質(zhì)部分分解，產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)并導(dǎo)致熱量積聚，或外部短路導(dǎo)致電池快速放電，產(chǎn)生大量焦耳熱，主要包括內(nèi)短路、外短路、不當(dāng)充電、過(guò)放電等行為。

（3）熱濫用

高溫環(huán)境或劇烈產(chǎn)熱會(huì)引起電池?zé)岱e蓄，當(dāng)電池溫度上升至一定程度時(shí)，將會(huì)引發(fā)熱失控。主要為電池局部過(guò)熱導(dǎo)致其失效的行為，電池電阻的異常增大會(huì)加劇其工作時(shí)的產(chǎn)熱，過(guò)高的產(chǎn)熱和較差的散熱條件就容易造成熱濫用。

此外，鋰離子電池?zé)崾Э氐恼T因也可以分為電池本體的材料以及生產(chǎn)工藝誘因及電池應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)誘因。在電池應(yīng)用過(guò)程中導(dǎo)致熱失控的誘因多種，比如電池內(nèi)外部短路、過(guò)充放電、高溫環(huán)境、高倍率充放電、老化、擠壓變形等。這些熱失控的誘因也并非相互獨(dú)立，之間的關(guān)系以及導(dǎo)致的逐級(jí)后果如下圖所示。

熱失控誘因的關(guān)系及后果

來(lái)源《車用鋰離子電池?zé)崾Э匮芯烤C述》

2、鋰離子電池?zé)崾Э貦C(jī)理

鋰離子電池?zé)崾Э卮笾驴煞譃榧訜犭A段、噴射和燃燒階段、熄滅階段三階段。

（1）加熱階段

隨著輻射加熱時(shí)間的增加，鋰離子電池的表面溫度升高，電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)積累了大量氣體和熱量。由于鋰離子外殼為鋼殼，幾乎不會(huì)發(fā)生膨脹等體積變化。當(dāng)電池內(nèi)部壓力達(dá)到安全閥耐壓極限時(shí)發(fā)生破裂，釋放可燃性氣體等使得電池由"封閉系統(tǒng)"變?yōu)?開放系統(tǒng)"，加速金屬鋰、電解液等副反應(yīng)，進(jìn)而加速溫度上升。

（2）噴射和燃燒階段

隨著電池副反應(yīng)的進(jìn)行，電池溫度持續(xù)上升，積累的能量和氣體增多，達(dá)到噴射壓力時(shí)，電解液分解的大量氣溶膠霧滴將會(huì)被噴射出并形成白色煙霧。并且SOC越大會(huì)使得電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)越劇烈，內(nèi)部的非易燃性物質(zhì)將隨氣溶膠霧滴一起噴出形成白色火花。這類白色煙霧能夠在釋放瞬間被點(diǎn)燃，發(fā)生燃燒爆炸等安全事故。

（3）熄滅階段

隨著電池燃燒的進(jìn)行，可燃性氣體不斷被消耗，燃燒火焰將逐漸減弱至最終熄滅。

鋰離子電池?zé)崾Э匕l(fā)展過(guò)程

來(lái)源《基于COMSOL的鋰離子電池?zé)崾Э胤抡媾c防控》

在鋰離子電池發(fā)生熱失控時(shí)，因副反應(yīng)產(chǎn)生大量熱，內(nèi)部材料快速分解，各部分反應(yīng)加劇，進(jìn)而導(dǎo)致電池溫度持續(xù)上升，電池內(nèi)各組分材料的熱失控反應(yīng)機(jī)理如圖下所示。

3、鋰離子電池?zé)崾Э胤抡娣治隽鞒?/span>

鋰離子電池?zé)崾Э氐姆抡娣治鍪峭ㄟ^(guò)數(shù)值模擬來(lái)模擬和分析電池在不同條件下的熱行為。仿真分析流程的具體步驟和方法可能會(huì)根據(jù)使用的仿真工具和具體問(wèn)題而有所不同。在進(jìn)行仿真分析之前，確保對(duì)電池的物理特性和實(shí)際使用條件有充分的了解，以提高仿真的準(zhǔn)確性和可靠性。

鋰離子電池仿真模型建立流程

來(lái)源《電動(dòng)汽車鋰離子電池生熱及熱失控仿真設(shè)計(jì)方法》

一般的鋰離子電池?zé)崾Э胤抡娣治隽?/span>程包含以下十個(gè)步驟：

（1）建立模型

創(chuàng)建電池的幾何模型，包括正極、負(fù)極、隔膜和電解液等組成部分，將電池的物理和化學(xué)特性轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)方程，如熱傳導(dǎo)、電化學(xué)反應(yīng)等。

（2）設(shè)定邊界條件

確定仿真的環(huán)境條件，如溫度、濕度、充電/放電速率等，設(shè)置電池與外界的熱邊界條件，包括散熱條件、溫度梯度等。

（3）選擇仿真工具

選擇合適的數(shù)值仿真工具，如有限元分析（Finite Element Analysis，F(xiàn)EA）或計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）軟件，常用的仿真軟件包括COMSOL Multiphysics、ANSYS、Abaqus等。

（4）定義材料特性

輸入材料的熱物性參數(shù)、電化學(xué)參數(shù)等，以便仿真工具能夠準(zhǔn)確地模擬電池內(nèi)部的物理過(guò)程。

（5）設(shè)置初始條件

定義仿真的初始條件，如初始溫度分布、初始電池狀態(tài)等。

（6）進(jìn)行仿真計(jì)算

運(yùn)行仿真模型，模擬電池在給定條件下的熱行為，考慮電池內(nèi)部熱產(chǎn)生、熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射等多物理場(chǎng)的相互作用。

（7）分析仿真結(jié)果

分析仿真結(jié)果，關(guān)注電池內(nèi)部溫度分布、熱流、電勢(shì)分布等，確定是否存在可能導(dǎo)致熱失控的熱點(diǎn)區(qū)域。

（8）優(yōu)化設(shè)計(jì)

基于仿真結(jié)果，進(jìn)行電池設(shè)計(jì)的優(yōu)化，包括改進(jìn)材料選擇、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、調(diào)整充放電策略等。

（9）安全性評(píng)估

基于仿真結(jié)果進(jìn)行電池的安全性評(píng)估，確定電池在不同工作條件下是否穩(wěn)定，以及是否需要采取額外的安全措施。

（10）驗(yàn)證與實(shí)驗(yàn)

將仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性。根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)。

4、熱失控防范措施

影響鋰離子電池安全性的因素多種多樣，目前主要從電池正極材料改性、電解液中添加阻燃劑、電池?zé)峁芾碓O(shè)計(jì)三方面來(lái)提升鋰離子電池的安全性。

（1）電池正極材料改性

正極材料在熱失控中主要的參與的放熱反應(yīng)包括：正極材料的分解及O2的釋放，這些是造成動(dòng)力電池起火爆炸的主要原因；負(fù)極材料主要參與的放熱反應(yīng)包括：SEI分解、嵌入負(fù)極的鋰與電解液和粘結(jié)劑的放熱反應(yīng)，其中SEI分解對(duì)應(yīng)的溫度被認(rèn)為是熱失控的開始的特征溫度。

熱失控的本質(zhì)主要在于正負(fù)極材料以及電解質(zhì)的穩(wěn)定性。未來(lái)還需要在正極材料包覆、改性，同體電解質(zhì)與電極的相容性以及提高電芯的導(dǎo)熱方面進(jìn)行更高的突破。

鋰離子電池富鋰正極材料的包覆改性研究

來(lái)源《鋰離子電池富鋰正極材料的包覆改性研究進(jìn)展》

（2）電解液中添加阻燃劑

可加入功能性添加劑或研發(fā)新型電解質(zhì)鹽來(lái)抑制電解液的分解和燃燒。電解質(zhì)的功能性添加劑可以分為阻燃添加劑和過(guò)充保護(hù)添加劑：阻燃添加劑從成分上可以分為有機(jī)磷化合物、含氮化合物、碳酸酯類、硅烷等，通過(guò)抑制溫度提高其熱穩(wěn)定性；過(guò)充添加劑從作用機(jī)理上可分為氧化還原對(duì)型和電聚合性，通過(guò)將電池電壓限制在一個(gè)可控范圍內(nèi)而實(shí)現(xiàn)高熱安全性。

（3）電池?zé)峁芾碓O(shè)計(jì)

動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)主要是解決電池在溫度過(guò)高或過(guò)低時(shí)熱失控、無(wú)法深度放電、無(wú)法大電流放電的問(wèn)題，是保證動(dòng)力電池平安和高效使用的關(guān)鍵。當(dāng)前，新能源汽車領(lǐng)域正處于行業(yè)變革的關(guān)鍵階段，相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)正與多種新型技術(shù)相互借鑒、融合，比如大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)及云計(jì)算技術(shù)等。

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)仿真模型設(shè)計(jì)

以基于數(shù)字孿生的電池?zé)峁芾碓O(shè)計(jì)為例，數(shù)字孿生系統(tǒng)由多物理場(chǎng)、多尺度和輕量化等模型構(gòu)建而成，均具有極高的保真度模擬電池的特性。結(jié)合目前高速發(fā)展的云計(jì)算和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，數(shù)字孿生系統(tǒng)可以精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)電池內(nèi)部狀態(tài)及運(yùn)行狀況。

綜上所述，鋰離子電池?zé)崾Э厥侵萍s鋰離子電池進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵因素，提高其安全性對(duì)于電動(dòng)汽車的發(fā)展變得尤為緊迫。鋰離子電池生熱仿真可以提高電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)性能和壽命周期，對(duì)于提升電動(dòng)汽車的安全性具有十分重要的意義。通過(guò)建立鋰離子電池生熱模型和仿真計(jì)算，可以測(cè)試不同配置的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，優(yōu)化電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)，縮短設(shè)計(jì)周期，節(jié)約設(shè)計(jì)成本。