研究背景

環境污染、化石燃料急速消耗推動電動汽車快速發展；鋰離子電池以其高能量，長壽命等優點廣泛應用于電動汽車及儲能電站。隨著電動汽車的普及、推廣，消費者對續航里程、快充能力的需求不斷提升，高比能電池被提出并大量應用。隨之而來的是安全事故的增加，電池安全已經成為制約電動汽車推廣的重要因素。

傳統測量手段僅基于電池電流、電壓、溫度等基礎外特性參數，所能起到的評估作用有限；隨著鋰離子動力電池包逐漸走向高比能化、電池走向大尺寸化，熱、力、電等多方面參量內外不一致性、滯后性問題日漸凸顯；而系統層面氣體傳感器的布置往往在電池熱失控噴閥后起作用，無法在第一節電池失效前實現提前監測。因此，如何選擇有效、快捷的參量實行監測成為電池熱失控預警的關鍵。

圖1. 研究技術路線圖

研究內容

本課題為研究不同容量、正極材料的電池熱失控應變演變特性，設計并開展了相關試驗。

如圖2所示，基于不同電池熱失控試驗，得出應變共性演變機制如下：

階段I：穩定上升階段（源于早期熱膨脹與產氣積累）；

階段II：疾速上升階段（源于熱失控觸發劇烈反應大量產氣積累）；

階段III：泄壓階段（源于內壓積累突破泄壓閥閾值，噴閥泄壓）。

對各類樣品電池，曲線所對應的特征現象如下：

（1）端面應變值“拐點”對應“初噴”現象，此時泄壓閥上方產生電解液蒸汽；

（2）應變值驟降泄壓后，泄壓閥上方可燃氣體產生劇烈燃燒、爆炸現象。

對樣品C而言，在應變驟降時刻與電壓驟降時刻幾乎重合，濃烈煙、氣噴發。

各項監測參量可提供的預警時間間隔如表1所示，在此次研究中基于端面應變值預警方法在熱失控觸發前可提供多達547.1s的時間間隔。而隨著大容量電池的廣泛應用，基于應變信號所能提供的預警時長更長，且串行排布系統中任意電池熱失控觸發前均能起到預警效果。

圖2. 熱失控過程溫度-電壓-應變曲線（a-d. 電池樣品A-C的特征曲線；d-f. 應變值變化特征分析）

表1.?不同電池樣品單體熱失控過程各項監測參量可提供的預警時間間隔

如圖3所示，各單體應變演變機制在熱失控蔓延過程也得到映證。

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圖3. 模組層級熱失控蔓延過程應變特征曲線及演變機制

針對不同鋰離子電池單體/模組熱失控（蔓延）過程端面應變演變機制，所做數值分析統計結果如圖4。

圖4. 不同鋰離子電池單體/模組熱失控（蔓延）過程端面應變特征統計示意圖

據此前研究統計， NCM523和NCM622正極電池產氣量歸一化數值分別為1.4-1.5 L/Ah、1.6-1.7 L/Ah。此次研究引入正極材料-產氣量系數f，針對NCM523和NCM622正極電池，f取值分別為1.05和1，由此可得此類大容量方殼電池熱失控過程整體應變增量和電池容量符合公式（1）：

實時應變變化率如公式（2）所示：

第一、二階段應變平均變化率分別如公式（3-4）所示：

第一、二階段應變平均變化率-容量公式分別如公式（5-6）所示：

隨電池容量增加，尺寸增大，第一階段應變增速不顯著，應變變化率呈現遞減趨勢；

而大容量電池活性材料增多，產氣量、產熱量顯著增加，導致端面應變值最大增量明顯提升。

熱失控蔓延過程各節電池觸發所導致的最大應變增量并未統一呈現增長趨勢。

大容量方殼鋰離子電池系統在熱失控過程呈現“膨脹/內壓積累-噴發泄壓”的演變特征，噴發后高溫松軟且較空的卷芯部分會被下一節失控電池擠壓形變，電池系統中各節電池彎折形變的方向指向第一節失控電池，與熱失控蔓延的方向相反，此結論也可為電池系統事故調查提供理論依據及指導。

總結與展望

1.相較于電池溫度、電壓，采用端面應變的熱失控檢測、預警效果優越性明顯、且成本較低；

2.基于端面壓力的單體熱失控過程研究,發現了“初噴”、“爆燃”等過程演變特性在力學信號維度上的新特征；

3.通過不同容量的鋰離子電池單體/模組熱失控（蔓延）過程演變特性研究，提煉了電池熱失控過程最大應變總增量-容量的計算公式及熱失控各階段應變平均增長速率-容量公式；

4.基于端面應變的研究為電池系統熱失控及蔓延主動預警、防護設計提供了新的思路。

編輯：黃飛

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