不同荷电状态下锂电池热安全边界的案例分析

不同荷电状态下锂电池热安全边界

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研究背景

热失控问题是阻碍锂电池大规模应用的关键问题。并且随着电芯能量密度的不断提升，锂电池热稳定性变差而电芯热失控总产热量将会增加，这将会导致锂电池在整个荷电状态（State of Charge, SOC）下均有可能发生热失控蔓延。因此，从电芯和模组层面了解不同荷电状态下锂电池的热安全行为对于锂电池模组的热安全设计具有重要意义。

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研究成果

要点1：基于不同荷电状态下单体绝热热失控测试以及模组热蔓延测试结果，提出了电量安全边界的概念，并在电量安全边界的指导下研究了电芯单体和模组的热安全边界对应关系。

图1 不同SOC下NCM523电池的热失控行为。(a)不同SOC下电池温度和温升速率演变情况。(b)不同SOC下锂电池热失控不同阶段：热稳定阶段，热诱发阶段以及热爆发阶段。(c)不同SOC下锂电池热失控总产热量。(d)不同SOC下电芯和模组的电量安全边界对应关系。

要点2：通过将不同SOC下绝热热失控测试获取热失控触发温度T2与热蔓延测试过程中电芯外表面热失控触发温度Tonset,f对比，发现Tonset,f比T2高大约90-300 ℃。通过分析测试结果，发现除了受到SOC影响外，Tonset,f的大小还受到热源温度和加热时间的影响。Tonset,f的大小会受到测试边界条件的影响，因此不建议使用热失控触发温度T2作为为热失控蔓延是否发生的评价指标。

图2 不同SOC下Tonset,f与T2之间的温度差异

要点三：在不同SOC下三维热失控蔓延模型的帮助下，文章定量分析了不同SOC下NCM523模组的热安全边界，并发现峰值传热功率可以作为热失控发生与否的评价指标。在100% SOC, 80% SOC和60% SOC下，电芯间不发生热蔓延的峰值传热功率边界分别为299.2, 356.7和443.2 W。在大量仿真结果的基础上，从峰值传热功率，荷电状态，热失控触发温度和全循环寿命的角度下得到了NCM523模组在整个SOC范围内的热安全边界，该结果可用于指导定量选取全SOC区间范围内模组的热蔓延抑制策略。

图3 不同角度下NCM523模组热安全边界。(a) 不同SOC和峰值传热功率下NCM523模组热安全边界。(b)不同SOC，峰值传热功率和热失控总产热量下NCM523模组热安全边界。(c)不同热失控触发温度和SOC下NCM523模组热安全边界。

要点四：发现了三种不同的热失控蔓延传递方式，并从峰值传热功率的角度获取了全SOC范围内三种热蔓延传递方式的内在联系。以100%SOC为例，当电芯间峰值传热功率高于395.9 W时，热蔓延传递方式为直接触发式热蔓延，在此种情况下由上一节电芯释放的热量可直接触发下一节电芯发生热失控；当电芯间峰值传热功率在395.9 W和351.2 W之间时，热蔓延传递方式为自诱发模式。在此种情况下，上一节电芯释放的热量不足以直接触发下一节电芯发生热失控，但是此时电芯迎热面温度高于电芯自产热起始温度T1，且电芯内部产热速率高于散热速率，电芯在上节电芯传热和自身自放热反应的共同作用下触发热失控。由于在发生热失控之前消耗了一部分能量，自诱发模式下电芯热失控危害等级较小。当电芯间峰值传热功率低于351.2 W时，热蔓延传递方式为自熄灭式。在此种情况下，由上一节电芯传递的能量以及电芯自身产热释放的能量不足以诱发电芯发生热失控。

图4 热蔓延传递过程中典型的三种传递状态。(a)直接触发式热蔓延。(b)自诱发式热蔓延。(c)自熄灭式热蔓延

图5 三种不同的热失控蔓延模式以及热失控蔓延模式间对应的峰值传热功率边界。(a-c) 100% SOC, 80% SOC和60% SOC下不同峰值传热功率对应的归一化浓度演变情况。(d) 不同热失控蔓延模式对应的峰值传热功率边界

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研究结论

本研究聚焦于不同SOC下电芯和模组层面的热安全边界。文章主要结论如下：

1. 使用加速绝热量热仪探究了全SOC范围内电芯的热安全特征行为，发现在40% SOC以下，降低电芯的SOC能够显著降低电芯的热失控危害等级。因此，认为40% SOC是NCM523电芯的电量安全边界。

2. 比较了不同SOC下单体热失控触发温度T2和模组迎热面温度突变点Tonset,f。实验结果和模型仿真结果显示，相比于热失控触发温度T2，峰值传热功率更适合作为热蔓延评价指标。

3. 在电芯层面安全电量边界的指导下，进行了40% SOC以上的模组热失控蔓延测试。通过构建的不同SOC下锂电池三维热失控蔓延模型定量分析了不同SOC下模组的热安全边界。首次研究电芯层级和模组层级的热安全边界对应关系，在100% SOC, 80% SOC和60%SOC下，模组的热安全边界分别为299.2 W, 356.7 W和443.2 W。

4. 基于大量仿真结果，从峰值传热功率，SOC，热失控触发温度T2以及全生命周期角度获取了NCM523模组的安全电量边界。当上述指标处于安全区域时，即可实现热失控蔓延抑制。

5. 基于热安全边界，提出了三种不同的热失控蔓延传递方式。并通过仿真得出了三种热蔓延传递方式的数值边界。在100% SOC, 80% SOC和60% SOC下，直接触发式热蔓延和自诱发式热蔓延的峰值传热功率边界分别为395.9, 397.3和485.5 W；自诱发式和自熄灭式热蔓延的峰值传热功率边界分别为351.2, 356.7和443.2 W。该结论可以帮助定量选取热失控抑制策略。

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文章信息

本研究由同济大学，上海理工大学和清华大学合作完成，研究得到国家自然科学基金（NSFC, grant no.U20A20310 and No.52176199），上海市学术/技术带头人（22XD1423800）的支持。团队吴航博士为本文第一作者，清华大学冯旭宁副教授和同济大学戴海峰教授为共同通讯作者。



审核编辑：刘清