锂离子电池热失控仿真分析与防控

随着电动汽车的快速发展，锂离子电池得到了广泛应用，而锂离子电池的安全问题是电动汽车发展的基础。由于锂离子电池的高能量密度以及其内部电解液的可燃性，锂离子电池在使用过程中频繁发生热失控，导致电动汽车发生起火自燃事故，危害乘员的财产和生命安全。因此，深入了解和解决电池在运行过程中可能发生的过热问题，研究锂离子电池热失控的诱因，这对于提高电池的安全性、稳定性和寿命至关重要。

1、锂离子电池热失控诱因

热失控是锂离子电池安全事故的共性特征，电池热失控问题是当前电化学储能系统安全的核心问题。热失控是指电池内部出现放热连锁反应引起电池温升速率急剧变化的过热现象，电池热失控的诱发原因总结如下图所示，主要包括：机械滥用、电滥用和热滥用三类，三类诱因造成的热失控都伴随着电池的产气现象。

（1）机械滥用

在机械外力作用下，电池隔膜破裂而引发内部短路，使得能量快速释放，会导致电池材料的形变及结构的破坏。

（2）电滥用

因过充电或过放电，电极活性材料和电解质部分分解，产物发生反应并导致热量积聚，或外部短路导致电池快速放电，产生大量焦耳热，主要包括内短路、外短路、不当充电、过放电等行为。

（3）热滥用

高温环境或剧烈产热会引起电池热积蓄，当电池温度上升至一定程度时，将会引发热失控。主要为电池局部过热导致其失效的行为，电池电阻的异常增大会加剧其工作时的产热，过高的产热和较差的散热条件就容易造成热滥用。

此外，锂离子电池热失控的诱因也可以分为电池本体的材料以及生产工艺诱因及电池应用过程中出现诱因。在电池应用过程中导致热失控的诱因多种，比如电池内外部短路、过充放电、高温环境、高倍率充放电、老化、挤压变形等。这些热失控的诱因也并非相互独立，之间的关系以及导致的逐级后果如下图所示。

热失控诱因的关系及后果

来源《车用锂离子电池热失控研究综述》

2、锂离子电池热失控机理

锂离子电池热失控大致可分为加热阶段、喷射和燃烧阶段、熄灭阶段三阶段。

（1）加热阶段

随着辐射加热时间的增加，锂离子电池的表面温度升高，电池内部的化学反应积累了大量气体和热量。由于锂离子外壳为钢壳，几乎不会发生膨胀等体积变化。当电池内部压力达到安全阀耐压极限时发生破裂，释放可燃性气体等使得电池由"封闭系统"变为"开放系统"，加速金属锂、电解液等副反应，进而加速温度上升。

（2）喷射和燃烧阶段

随着电池副反应的进行，电池温度持续上升，积累的能量和气体增多，达到喷射压力时，电解液分解的大量气溶胶雾滴将会被喷射出并形成白色烟雾。并且SOC越大会使得电池内部化学反应越剧烈，内部的非易燃性物质将随气溶胶雾滴一起喷出形成白色火花。这类白色烟雾能够在释放瞬间被点燃，发生燃烧爆炸等安全事故。

（3）熄灭阶段

随着电池燃烧的进行，可燃性气体不断被消耗，燃烧火焰将逐渐减弱至最终熄灭。

锂离子电池热失控发展过程

来源《基于COMSOL的锂离子电池热失控仿真与防控》

在锂离子电池发生热失控时，因副反应产生大量热，内部材料快速分解，各部分反应加剧，进而导致电池温度持续上升，电池内各组分材料的热失控反应机理如图下所示。

3、锂离子电池热失控仿真分析流程

锂离子电池热失控的仿真分析是通过数值模拟来模拟和分析电池在不同条件下的热行为。仿真分析流程的具体步骤和方法可能会根据使用的仿真工具和具体问题而有所不同。在进行仿真分析之前，确保对电池的物理特性和实际使用条件有充分的了解，以提高仿真的准确性和可靠性。

锂离子电池仿真模型建立流程

来源《电动汽车锂离子电池生热及热失控仿真设计方法》

一般的锂离子电池热失控仿真分析流程包含以下十个步骤：

（1）建立模型

创建电池的几何模型，包括正极、负极、隔膜和电解液等组成部分，将电池的物理和化学特性转化为数学方程，如热传导、电化学反应等。

（2）设定边界条件

确定仿真的环境条件，如温度、湿度、充电/放电速率等，设置电池与外界的热边界条件，包括散热条件、温度梯度等。

（3）选择仿真工具

选择合适的数值仿真工具，如有限元分析（Finite Element Analysis，FEA）或计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）软件，常用的仿真软件包括COMSOL Multiphysics、ANSYS、Abaqus等。

（4）定义材料特性

输入材料的热物性参数、电化学参数等，以便仿真工具能够准确地模拟电池内部的物理过程。

（5）设置初始条件

定义仿真的初始条件，如初始温度分布、初始电池状态等。

（6）进行仿真计算

运行仿真模型，模拟电池在给定条件下的热行为，考虑电池内部热产生、热传导、对流和辐射等多物理场的相互作用。

（7）分析仿真结果

分析仿真结果，关注电池内部温度分布、热流、电势分布等，确定是否存在可能导致热失控的热点区域。

（8）优化设计

基于仿真结果，进行电池设计的优化，包括改进材料选择、优化结构设计、调整充放电策略等。

（9）安全性评估

基于仿真结果进行电池的安全性评估，确定电池在不同工作条件下是否稳定，以及是否需要采取额外的安全措施。

（10）验证与实验

将仿真结果与实际测试数据进行比较，以验证仿真模型的准确性。根据验证结果对模型进行调整和改进。

4、热失控防范措施

影响锂离子电池安全性的因素多种多样，目前主要从电池正极材料改性、电解液中添加阻燃剂、电池热管理设计三方面来提升锂离子电池的安全性。

（1）电池正极材料改性

正极材料在热失控中主要的参与的放热反应包括：正极材料的分解及O2的释放，这些是造成动力电池起火爆炸的主要原因；负极材料主要参与的放热反应包括：SEI分解、嵌入负极的锂与电解液和粘结剂的放热反应，其中SEI分解对应的温度被认为是热失控的开始的特征温度。

热失控的本质主要在于正负极材料以及电解质的稳定性。未来还需要在正极材料包覆、改性，同体电解质与电极的相容性以及提高电芯的导热方面进行更高的突破。

锂离子电池富锂正极材料的包覆改性研究

来源《锂离子电池富锂正极材料的包覆改性研究进展》

（2）电解液中添加阻燃剂

可加入功能性添加剂或研发新型电解质盐来抑制电解液的分解和燃烧。电解质的功能性添加剂可以分为阻燃添加剂和过充保护添加剂：阻燃添加剂从成分上可以分为有机磷化合物、含氮化合物、碳酸酯类、硅烷等，通过抑制温度提高其热稳定性；过充添加剂从作用机理上可分为氧化还原对型和电聚合性，通过将电池电压限制在一个可控范围内而实现高热安全性。

（3）电池热管理设计

动力电池热管理系统主要是解决电池在温度过高或过低时热失控、无法深度放电、无法大电流放电的问题，是保证动力电池平安和高效使用的关键。当前，新能源汽车领域正处于行业变革的关键阶段，相关领域内的技术正与多种新型技术相互借鉴、融合，比如大数据技术、人工智能技术及云计算技术等。

电池热管理系统仿真模型设计

以基于数字孪生的电池热管理设计为例，数字孪生系统由多物理场、多尺度和轻量化等模型构建而成，均具有极高的保真度模拟电池的特性。结合目前高速发展的云计算和机器学习技术，数字孪生系统可以精准地预测电池内部状态及运行状况。

综上所述，锂离子电池热失控是制约锂离子电池进一步发展的关键因素，提高其安全性对于电动汽车的发展变得尤为紧迫。锂离子电池生热仿真可以提高电动汽车电池系统性能和寿命周期，对于提升电动汽车的安全性具有十分重要的意义。通过建立锂离子电池生热模型和仿真计算，可以测试不同配置的电池热管理系统，优化电池热管理系统设计，缩短设计周期，节约设计成本。