锂离子电池排气在储能系统中热失控向相邻模组传播的作用

《International Journal of Heat and Mass Transfer》：The role of lithium-ion battery vent gas in thermal runaway propagation to adjacent modules in energy storage systems

　　

摘要 本研究探讨了锂离子电池排气在储能系统模块间热失控传播中的作用。重点关注通过排气直接冲击引起的对流传热导致的传播。结果表明，排气通过预热相邻模块中的电芯，促进了模块间的传播。结果还显示，设计具有较大安全排气阀尺寸（与安全排气射流速度有关）和较大模块间隙高度（电芯与模块顶面之间）的电芯，可以减少热失控期间由排气直接冲击引起的对流传热，从而可能降低模块间传播的风险。例如，将模块间隙高度加倍并将排气速度降低 70%，可使排气传递给相邻模块的最大热通量减少 59.6%。因此，在相邻模块中的电芯内引发热失控所需的排气电芯数量从 5 个增加到 22 个。这一发现表明，这些设计改进可以通过要求更多的电芯故障来引发传播，从而显著降低模块间热失控传播的可能性。虽然增加排气口和模块间隙高度减少了壁面热通量，但增加了气体在模块通道内的停留时间，突显了需要进一步研究的潜在安全权衡。还显示，由于连续的排气事件，模块内不同位置的电芯经历不同的加热机制，缓慢加热过程往往比快速加热更危险，除非这种快速加热直接引发热失控。排气在模块通道外也可能发生额外的热传递，因为气体以高温和高速离开模块通道，表明存在进一步热失控传播的潜在风险。

引言 锂离子电池（Li-ion）具有独特的特性，使其成为各种应用的绝佳选择 [1]，[2]，尤其是其高能量密度和容量 [1]，[3]。目前的应用范围从便携式设备 [2]，[4] 到电动汽车 [2]，[4]，[5]，[6]。它们的独特特性也使它们成为电网级储能系统（ESS）的热门选择 [7]。

尽管锂离子电池具有良好的能量密度和长循环寿命等独特优点，但热失控仍然是与锂离子电池相关的严重安全问题 [8]。如果电池经历过热、过充或物理滥用 [9]，[10]，[11]，它们可能会进入热失控状态，其特征是伴随大量且快速的热量产生以及产生热的 [12]，[13] 和可燃气体 [14]，[15]，这些气体在电芯分解时从电芯中释放。由于这些事件伴随的电芯材料之间的放热反应，许多实验表明，电芯温度在相对较短的时间内急剧升高 [12]，[13]，[16]，[17]。

鉴于这些事件伴随的危险，大量研究致力于理解热失控。Koch 等人 [18] 的实验表明，能量密度较高的电芯倾向于表现出更剧烈的热失控事件，且产生的排气组成与产生的气体量无关。Golubkov 等人 [12] 通过实验研究了正极化学对热失控及相关安全参数（如排气量和组成，以及排气过程的持续时间）的影响。Finegan 等人 [19] 研究了电芯内部局部热失控引发位置对整体热失控动力学的影响。该研究考虑了不同的参数，如破裂位置、热量产生、表面和内部温度及其分布以及其他重要的热失控特征。另一项研究考察了两种锂离子电池在热失控期间内部结构的变化，以调查故障引发机制，从而加深对热失控动力学的理解 [20]。确定了锂离子电池热失控的三个不同温度 [21]，即自发热产生温度、触发温度和电芯最高温度。通过将这些阶段及其特征温度与不同电芯组件的反应联系起来，讨论了这些阶段的重要性。例如，自发热产生温度通常与 SEI 分解有关，而触发温度和电芯最高温度分别与隔膜熔化和正负极之间的反应有关。Roth 和 Orendorff [22] 解决了锂离子电池的电解质和热稳定性问题。还考察了滥用条件对热失控的影响 [16]，[17]。例如，Essl 等人 [16] 研究了通过过热、过充和针刺引发热失控对两种电芯类型的影响，每种电芯对这些触发因素表现出不同的响应，这体现在电芯表面温度、排气温度、排气量和排气组成等重要参数的差异上。

如上所述，许多研究调查了单个电芯的故障以增强对热失控的理解。然而，在大型电池装置或车辆应用中，主要的安全担忧不在于单个电芯的故障，而在于热失控传播到相邻电芯，无论它们是在同一模块中，还是在储能系统的其他部分。排气的火灾或爆炸构成了另一个安全隐患。文献 [23]，[24]，[25]，[26] 报告了储能系统中发生的几起热失控事件，其中许多包括源自各种原因的额外火灾或爆炸事件 [8]。一旦引发，故障可以通过各种机制广泛传播，传导和对流是两个需要考虑的重要模式 [27]。传导性故障传播是由于热的、失效的电芯与相邻电芯直接接触而发生的，而对流传播则是由于热的排气与整个储能系统中的电芯和模块之间的热传递而产生的。许多数值和实验研究调查了传导传播缓解策略 [28]，[29]，[30]，[31]，[32]。例如，Torres-Castro 等人 [29] 的一项研究表明，可以在电芯之间插入具有足够高热容量的金属板，通过降低经历热失控的电芯相邻电芯经历的温度来防止传播。排气的爆炸特性也得到了研究 [14]，[15]，[33]。除了可燃性之外，排气由于以高温和高速离开电芯，可能会带来其他危害 [27]。排气对热失控传播的影响可能扩展到模块之外，延伸至机架的其他部分，在那里热气体即使在没有燃烧的情况下也可以将热量传递给其他模块和系统的部分 [27]。由于对流引起的这些潜在安全隐患尚未得到全面研究，因此本研究的主要目的是调查排气在仅由对流传热驱动的模块间热失控传播中的作用。尽管排气伴随潜在的熱危害，但现有文献中对对流诱导的热失控传播关注有限。这项工作的新颖性在于解决排气诱导预热对热失控传播的影响，并量化多个排气电芯作为系统级热传递和安全的关键贡献者的累积影响。通过检查排气与相邻模块中电芯之间的热相互作用，如图 1 所示，本研究为这种传播机制提供了新的见解。此外，研究结果与关键设计参数相关，为改善储能系统相对于排气诱导热危害的安全性提供了实用建议。我们注意到，射流中存在固体颗粒也可以传递大量能量 [34]，但这些效应将留给未来的研究。

在此，我们提出一种分析，通过计算从失效软包电芯排气产生的局部对流传热系数和相应的局部温度升高，来解决集装箱电池储能系统中与排气相关的安全隐患。本文的结构如下：第 2 节提供了本研究所开发的模拟和模型的详细描述。第 3 节概述了用于验证结果的案例。第 4 节详细呈现和讨论了结果，最后第 5 节强调了本工作的主要结论。

章节片段 模拟与数值方法 在此工作中，主要目标是了解对流传热对利用软包电芯的集装箱储能系统中热失控传播的影响。当电芯进入热失控状态时，会产生气体，直到达到足以破裂软包并以高温从产生的开口处排气的压力。从那里开始，排气将冲击模块外壳，然后沿模块流出至末端任何开口处。鉴于需要

验证案例 模型通过 Jaramillo 等人 [52] 的射流冲击案例的 DNS 和 ????? 模拟进行了验证，雷诺数 (?????) 为 20,000 的冷空气射流冷却对侧温度恒定的热平板。射流到平板的距离 (H/W) 为 4。

图 4 显示，????? SST 估计的局部努塞尔数 (?????) 总体上与参考文献 [52] 中的 DNS 和 ????? 模拟吻合良好。????? SST 对冲击处的 ????? 值预测与参考文献 [52] 中的值非常接近

结果与讨论 在本节中，我们通过跟踪流向速度 ?? 和温度分布 ??，以及壁面热通量 ??″ 和对流系数 ? 的估算，呈现了沿模块间隙通道排气流动变化的结果。下图显示了 ?? 和 ?????????? 对 ??″ 和 ? 的影响。我们还将讨论关于电芯阵列周围间隙尺寸 ?? 和安全排气口尺寸的安全设计建议。在此讨论之后，排气的角色

结论 在这项工作中，我们调查了锂离子电池排气在储能系统模块间热失控传播中的作用，这是由排气直接冲击相邻模块中的电芯引起的对流传热所致。目标是提出考虑对流传热冲击的电芯和模块的设计见解，以增强储能系统的安全性。

研究了十二种情况，基于与四种电芯容量和几何形状相关的四种排气速度，以及基于三种间隙高度基于

利益冲突声明 作者声明以下财务利益/个人关系，可能被视为潜在的利益冲突：Ala' Qatramez 报告称获得了桑迪亚国家实验室的财务支持。如果有其他作者，他们声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本论文中报告的工作。

致谢 本文由国家技术与工程解决方案桑迪亚有限责任公司（National Technology & Engineering Solutions of Sandia, LLC）的一名员工在美国能源部（DOE）合同编号 DE-NA0003525 下撰写。该员工拥有文章的所有权利、所有权和利益，并对其内容单独负责。美国政府保留，且出版商通过接受文章发表，确认美国政府保留非独家、已付费、不可撤销、全球的

Ala' E. Qatramez|Andrew Kurzawski|John Hewson|Michael Meehan|Daniel Foti|Alexander J. Headley
美国田纳西州孟菲斯市 38152 孟菲斯大学机械工程系