不同荷電狀態下鋰電池熱安全邊界

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研究背景

熱失控問題是阻礙鋰電池大規模應用的關鍵問題。并且隨著電芯能量密度的不斷提升，鋰電池熱穩定性變差而電芯熱失控總產熱量將會增加，這將會導致鋰電池在整個荷電狀態（State of Charge, SOC）下均有可能發生熱失控蔓延。因此，從電芯和模組層面了解不同荷電狀態下鋰電池的熱安全行為對于鋰電池模組的熱安全設計具有重要意義。

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研究成果

要點1：基于不同荷電狀態下單體絕熱熱失控測試以及模組熱蔓延測試結果，提出了電量安全邊界的概念，并在電量安全邊界的指導下研究了電芯單體和模組的熱安全邊界對應關系。

圖1 不同SOC下NCM523電池的熱失控行為。(a)不同SOC下電池溫度和溫升速率演變情況。(b)不同SOC下鋰電池熱失控不同階段：熱穩定階段，熱誘發階段以及熱爆發階段。(c)不同SOC下鋰電池熱失控總產熱量。(d)不同SOC下電芯和模組的電量安全邊界對應關系。

要點2：通過將不同SOC下絕熱熱失控測試獲取熱失控觸發溫度T2與熱蔓延測試過程中電芯外表面熱失控觸發溫度Tonset,f對比，發現Tonset,f比T2高大約90-300 ℃。通過分析測試結果，發現除了受到SOC影響外，Tonset,f的大小還受到熱源溫度和加熱時間的影響。Tonset,f的大小會受到測試邊界條件的影響，因此不建議使用熱失控觸發溫度T2作為為熱失控蔓延是否發生的評價指標。

圖2 不同SOC下Tonset,f與T2之間的溫度差異

要點三：在不同SOC下三維熱失控蔓延模型的幫助下，文章定量分析了不同SOC下NCM523模組的熱安全邊界，并發現峰值傳熱功率可以作為熱失控發生與否的評價指標。在100% SOC, 80% SOC和60% SOC下，電芯間不發生熱蔓延的峰值傳熱功率邊界分別為299.2, 356.7和443.2 W。在大量仿真結果的基礎上，從峰值傳熱功率，荷電狀態，熱失控觸發溫度和全循環壽命的角度下得到了NCM523模組在整個SOC范圍內的熱安全邊界，該結果可用于指導定量選取全SOC區間范圍內模組的熱蔓延抑制策略。

圖3 不同角度下NCM523模組熱安全邊界。(a) 不同SOC和峰值傳熱功率下NCM523模組熱安全邊界。(b)不同SOC，峰值傳熱功率和熱失控總產熱量下NCM523模組熱安全邊界。(c)不同熱失控觸發溫度和SOC下NCM523模組熱安全邊界。

要點四：發現了三種不同的熱失控蔓延傳遞方式，并從峰值傳熱功率的角度獲取了全SOC范圍內三種熱蔓延傳遞方式的內在聯系。以100%SOC為例，當電芯間峰值傳熱功率高于395.9 W時，熱蔓延傳遞方式為直接觸發式熱蔓延，在此種情況下由上一節電芯釋放的熱量可直接觸發下一節電芯發生熱失控；當電芯間峰值傳熱功率在395.9 W和351.2 W之間時，熱蔓延傳遞方式為自誘發模式。在此種情況下，上一節電芯釋放的熱量不足以直接觸發下一節電芯發生熱失控，但是此時電芯迎熱面溫度高于電芯自產熱起始溫度T1，且電芯內部產熱速率高于散熱速率，電芯在上節電芯傳熱和自身自放熱反應的共同作用下觸發熱失控。由于在發生熱失控之前消耗了一部分能量，自誘發模式下電芯熱失控危害等級較小。當電芯間峰值傳熱功率低于351.2 W時，熱蔓延傳遞方式為自熄滅式。在此種情況下，由上一節電芯傳遞的能量以及電芯自身產熱釋放的能量不足以誘發電芯發生熱失控。

圖4 熱蔓延傳遞過程中典型的三種傳遞狀態。(a)直接觸發式熱蔓延。(b)自誘發式熱蔓延。(c)自熄滅式熱蔓延

圖5 三種不同的熱失控蔓延模式以及熱失控蔓延模式間對應的峰值傳熱功率邊界。(a-c) 100% SOC, 80% SOC和60% SOC下不同峰值傳熱功率對應的歸一化濃度演變情況。(d) 不同熱失控蔓延模式對應的峰值傳熱功率邊界

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研究結論

本研究聚焦于不同SOC下電芯和模組層面的熱安全邊界。文章主要結論如下：

1. 使用加速絕熱量熱儀探究了全SOC范圍內電芯的熱安全特征行為，發現在40% SOC以下，降低電芯的SOC能夠顯著降低電芯的熱失控危害等級。因此，認為40% SOC是NCM523電芯的電量安全邊界。

2. 比較了不同SOC下單體熱失控觸發溫度T2和模組迎熱面溫度突變點Tonset,f。實驗結果和模型仿真結果顯示，相比于熱失控觸發溫度T2，峰值傳熱功率更適合作為熱蔓延評價指標。

3. 在電芯層面安全電量邊界的指導下，進行了40% SOC以上的模組熱失控蔓延測試。通過構建的不同SOC下鋰電池三維熱失控蔓延模型定量分析了不同SOC下模組的熱安全邊界。首次研究電芯層級和模組層級的熱安全邊界對應關系，在100% SOC, 80% SOC和60%SOC下，模組的熱安全邊界分別為299.2 W, 356.7 W和443.2 W。

4. 基于大量仿真結果，從峰值傳熱功率，SOC，熱失控觸發溫度T2以及全生命周期角度獲取了NCM523模組的安全電量邊界。當上述指標處于安全區域時，即可實現熱失控蔓延抑制。

5. 基于熱安全邊界，提出了三種不同的熱失控蔓延傳遞方式。并通過仿真得出了三種熱蔓延傳遞方式的數值邊界。在100% SOC, 80% SOC和60% SOC下，直接觸發式熱蔓延和自誘發式熱蔓延的峰值傳熱功率邊界分別為395.9, 397.3和485.5 W；自誘發式和自熄滅式熱蔓延的峰值傳熱功率邊界分別為351.2, 356.7和443.2 W。該結論可以幫助定量選取熱失控抑制策略。

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文章信息

本研究由同濟大學，上海理工大學和清華大學合作完成，研究得到國家自然科學基金（NSFC, grant no.U20A20310 and No.52176199），上海市學術/技術帶頭人（22XD1423800）的支持。團隊吳航博士為本文第一作者，清華大學馮旭寧副教授和同濟大學戴海峰教授為共同通訊作者。



審核編輯：劉清