隨著電動汽車的普及，鋰離子電池因其高能量密度、長壽命等優(yōu)點(diǎn)成為主流動力來源。然而，在高溫、碰撞等極端條件下，電池可能發(fā)生熱失控，導(dǎo)致起火甚至爆炸。如何快速、準(zhǔn)確地判斷電池在什么條件下會失控，成為科研與工程領(lǐng)域的重要課題。

近日，一項發(fā)表于《Scientific Reports》的研究提出了一種基于分岔理論的定性分析方法，能夠在不依賴復(fù)雜數(shù)值模擬的情況下，快速判斷鋰離子電池發(fā)生熱失控的臨界厚度，為電池安全設(shè)計與熱管理提供了新思路。

熱失控的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)機(jī)理

Millennial Lithium

鋰離子電池在正常工作時有可逆的電化學(xué)反應(yīng)，但在高溫下，會觸發(fā)一系列不可逆的放熱反應(yīng)，如果產(chǎn)熱速率大于散熱能力，溫度將持續(xù)上升，最終引發(fā)熱失控。

研究中指出了四種主要的過熱放熱反應(yīng)，它們依次在不同溫度區(qū)間被觸發(fā)：

SEI膜分解反應(yīng)（約 90–120°C）

負(fù)極溶劑反應(yīng)（>120°C）

正極溶劑反應(yīng)（>170°C）

電解質(zhì)分解反應(yīng)（>200°C）

鋰離子電池結(jié)構(gòu)與電池包示意圖

傳統(tǒng)模擬的瓶頸：計算復(fù)雜、耗時長

Millennial Lithium

目前多數(shù)研究采用基于COMSOL等的多物理場數(shù)值模擬，雖然能精確描述電池內(nèi)部的溫度場變化，但存在以下問題：

計算量大、耗時長；

對初始條件和數(shù)值擾動敏感；

難以高效、可靠地識別熱失控的臨界參數(shù)（如臨界厚度、臨界產(chǎn)熱率）。

分岔理論：快速判斷“安全”與“失控”的界限

Millennial Lithium

分岔理論是非線性動力學(xué)中的一種定性分析方法，用于研究系統(tǒng)在參數(shù)變化時穩(wěn)態(tài)解的突變行為。本研究將其引入電池?zé)崾Э胤治?/strong>中，通過建立平行模型（模擬方形電池）和圓形模型（模擬圓柱電池），研究在底部過熱、頂部冷卻的條件下，電池是否能夠維持熱平衡。

平行模型結(jié)構(gòu)示意圖

研究發(fā)現(xiàn)，隨著電池厚度增加，系統(tǒng)會出現(xiàn)兩個穩(wěn)態(tài)溫度解，分別對應(yīng)“安全狀態(tài)”和“潛在失控狀態(tài)”。當(dāng)厚度繼續(xù)增大至某一臨界值時，這兩個解合并并消失，系統(tǒng)失去穩(wěn)態(tài)，標(biāo)志著熱失控的發(fā)生。

平行模型中最大溫度的分岔圖

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：散熱越好，電池越厚

Millennial Lithium

散熱能力越強(qiáng)，臨界厚度越大

研究通過調(diào)節(jié)換熱系數(shù)h模擬不同冷卻條件（自然對流/強(qiáng)制對流），發(fā)現(xiàn)：

當(dāng)h從 0 增加到 20 W/m2·K，臨界厚度Hcr顯著上升；

當(dāng)h > 50 W/m2·K 后，提升散熱對臨界厚度的增益逐漸減小。

臨界厚度隨換熱系數(shù)的變化

圓柱電池比方形電池更“耐熱”

研究還發(fā)現(xiàn)，圓柱電池因其結(jié)構(gòu)曲率，在相同過熱條件下，其臨界厚度通常大于方形電池。隨著曲率增大（半徑減小），臨界厚度進(jìn)一步上升，說明曲面結(jié)構(gòu)有利于延緩熱失控。

臨界厚度隨過熱半徑與曲率的變化

強(qiáng)制對流冷卻：進(jìn)一步提升安全邊界

在平行模型中引入強(qiáng)制對流冷卻后，有效換熱系數(shù)heff提高，臨界厚度明顯上升。例如在負(fù)極溶劑反應(yīng)中，當(dāng)heff提高10%，臨界厚度從約0.071 m 提升至0.075 m。

強(qiáng)制對流對臨界厚度的影響

本研究通過分岔理論建立了一種快速評估鋰離子電池?zé)崾Э嘏R界厚度的定性框架，具有計算效率高、物理意義明確的優(yōu)點(diǎn)，適用于電池初步安全設(shè)計與參數(shù)篩選。

然而，該模型目前假設(shè)燃料濃度恒定，未能考慮反應(yīng)物消耗對熱釋放的影響，因此在持續(xù)放熱階段可能高估風(fēng)險。