锂离子电池同步热失控传播引起的危险协同效应

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：The hazardous synergistic effects caused by synchronous thermal runaway propagation of lithium-ion batteries

　　

摘要

锂离子电池（LIBs）中的热失控传播（TRP）是灾难性的，其传播模式的变异往往难以预测。许多研究人员指出了有序热失控传播（OTRP）的危害。然而，关于同步热失控传播（STRP）危害的研究仍然有限。本研究调查了 51 Ah LIB 模组在两种传播模式下的 TRP 行为。与以前的研究不同，本研究的主要贡献在于 STRP 模式的多维危害，包括热危害、燃烧危害、机械冲击危害和传播危害。结果表明，STRP 模式造成的损坏最严重，且最大的能量释放发生在 STRP 期间。尽管模组质量损失（M_Loss）和平均峰值温度没有太大差别，但峰值热释放率是 OTRP 模式的 4.38 倍。STRP 的严重危害是由于多个电芯的能量在单个电芯热失控期间内释放造成的。本研究提供了一种方便的 STRP 触发方法，建立了多参数耦合风险评估框架来评估 TRP 模式带来的危害，并强调了 TRP 模式对电池系统多维危害的影响。

引言

锂离子电池（LIBs）因其高能量密度和长循环寿命等优点，广泛应用于消费电子产品、新能源汽车和储能电站等领域。然而，LIBs 在使用过程中可能会经历热失控（TR），这是电池系统火灾和爆炸的主要原因，通常发生在具有挑战性的条件下。因此，TR 代表了电池安全领域最关键的科学挑战 [1], [2], [3], [4]。

由于复杂的运行和环境条件，电池系统可能会遭受热滥用、电滥用和机械滥用，这些都可能触发其 TR [5], [6], [7], [8]。无论哪种类型的滥用触发了模组中电芯的 TR，TR 传播（TRP）到相邻电芯的风险始终存在，可能导致灾难性后果 [9], [10]。因此，了解 TR 事故中 LIBs 的 TRP 行为和危害对于设计安全的电池系统至关重要。

在 LIBs TRP 研究中，学术界目前发现电芯的阴极材料、荷电状态（SOC）、电气连接、TR 喷射物和火焰是加速其热传播危害的重要因素。Li 等人 [11] 研究了使用两种阴极材料 LiFePO₄（LFP）和 LiNi_xCo_yMn_zO₂（NCM）的电池模组的 TRP 行为，发现与 LFP 模组相比，NCM 模组更容易发生 TRP 级联效应；Huang 等人 [12] 发现电气连接可以加速 TRP，这归因于电池模组并联引起的电热耦合效应。Peng 等人 [13] 研究了高温气流对 TRP 的影响，证明电芯 TR 排出的气体显著加速了封闭结构中的 TRP。此外，他还研究了顶棚火灾对电池 TRP 的影响 [14]；Yu 等人 [15] 关于 TR 传播缓解措施的工作表明，可以延长 NCM 电池的 TRP 时间以增加人为干预的可能性。Mao 等人 [16] 系统地研究了包装设计对电池电芯级联危害的影响，发现仅仅隔热无法防止 TRP，有必要控制 TR 期间喷射出的气体和颗粒。上述研究表明，电池模组的 TRP 行为非常复杂且多变。

目前的研究发现，TR 排放和燃烧导致多样的热传递模式，这是导致模组 TRP 行为显著变异的关键因素 [17], [18], [19], [20], [21]。电池模组有三种 TRP 模式：有序热失控传播（OTRP）、无序热失控传播（DTRP）和同步失控传播（STRP）[22]。OTRP 是最常见的 TRP 模式，其传播发生在一个电芯到下一个电芯之间。DTRP 没有明确的方向，可能会出现跳跃传播等现象，这主要与电芯 TR 过程中排放的高温气流和颗粒有关 [16], [23], [24]。STRP 指多个电芯同时经历 TR，这意味着电池模组处于级联失效阶段，灾难性事故不可避免 [16]。

在实际应用中，无论是新能源汽车还是储能电站，电池通常被组装成模组或系统。当电池经历系统故障（例如由于冷却液泄漏导致多个电池同时短路、模组过充或极端碰撞）时，会自然触发 STRP [25]。更危险的场景是 STRP 的逐渐触发，这主要发生在两种情况下：一是受限空间内高温气体和颗粒的 TR，另一种涉及电池系统内的多维火灾蔓延 [26], [27], [28], [29], [30]。STRP 导致系统级级联风险的关键在于系统的极端预热。

图 1 显示了总体研究框架。本研究在过热条件下检查了 STRP 和 OTRP 模式下的 TRP 多维危害。在这里，我们使用温度、质量损失、热释放速率（HRR）和总放热量（THR）等简单的实验数据，并展示如何利用这些数据来评估 STRP 和 OTRP 的复杂热行为。此外，使用带能谱的扫描电子显微镜（SEM-EDS）分析从 LIBs 中喷射出的颗粒的形态和元素分布。最后，开发了一个综合危害评估模型来评估 OTRP 和 STRP 模式的危害。本研究主要关注以下几个方面：

• (1)
  研究锂离子电池在两种 TRP 模式下的危害，包括热释放速率、温度、质量损失和传播速度。
• (2)
  建立多参数耦合危害对比框架，并比较 STRP 和 OTRP 模式之间的差异。

章节片段

电池样品

本研究使用了一种商用 51 Ah LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂（NCM523）方形电池。详细参数如表 1 所示。实验前，使用 NEWARE 测试系统（CE-8008-5V500A）将每个 LIB 充满电至 100%。为防止存储环境和时间影响 SOC 的可靠性，所有实验均在充电后 24 小时内完成。

实验设置

TRP 实验在符合 ISO 9705 标准的燃烧室中进行，尺寸为

LIB 模组的热失控行为

本研究深入讨论了 NCM523 模组在两种 TRP 模式下的 TR 行为和传播事件。在两种 TRP 模式中均观察到剧烈的燃烧行为。过热触发的 TRP 过程可分为四个阶段：(I) 预热阶段；(II) 排放燃烧阶段；(III) TRP 阶段；(IV) 衰退阶段。

如图 3 所示，在预热阶段，电池电芯内部产生大量还原性气体。这些

结论

本研究系统分析了 NCM523 模组在 OTRP 和 STRP 两种模式下的 TRP 特性。它详细讨论了 TRP 模式如何影响表面温度、TRP 速度、HRR、THR、质量损失和 TR 喷射物等关键参数。此外，简要讨论了从 OTRP 到 STRP 的转变机制，并使用 TRP 危害评估模型比较了两种 TRP 模式的危害。本研究的主要结论如下：

• 1)

CRediT 作者贡献声明

于航：写作 - 初稿，方法论，数据管理，概念化。马永飞：验证，正式分析，数据管理，概念化。莫桃华：验证，数据管理。燕翔宇：可视化，验证，概念化。毛彬彬：写作 - 审阅与编辑，监督，资源。张莹：写作 - 审阅与编辑，监督，资源，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能会影响本论文中报告的工作。

致谢

我们衷心感谢中国国家自然科学基金（编号：52374225）和湖北省重点研发计划（编号：2023DJC166）的财政支持。

于航|马永飞|莫桃华|燕翔宇|毛彬彬|张莹