314Ah 电池热失控蔓延及其基于隔热和液冷热管理系统的抑制

《Journal of Energy Storage》：Thermal runaway propagation of 314 Ah batteries and its suppression based on thermal insulation and liquid thermal management system

　　

# 摘要

锂离子电池安全是一个亟待解决的问题。然而，电池热失控是不可避免的，控制电池包中的热失控至关重要。本研究探讨了314 Ah电池的热失控传播及其抑制。结果表明，热失控先在单个电池内部传播，然后传播至相邻电池，第二个电池中的热失控传播速度比第一个电池更快。在热失控发生之前，外部加热产生的热量对第一个电池的热失控贡献最大。然而，放热副反应和第一个电池产生的热量对第二个电池的热失控贡献更大。热失控传播过程中产生的气体具有严重的毒性危害，对人体健康极为有害。隔热材料可抑制电池之间的热传递，放热副反应产生的热量对第二个电池的热失控贡献更大。两个电池之间的热失控传播时间和第二个电池的热失控温度均有增加。当冷却液温度为5°C、流量在0.5至1.5 L/min范围内时，1 mm气凝胶板（0.021 W/(m·K)）和液体热管理系统均能有效抑制314 Ah电池的热失控传播。热失控传播实验结果表明，电池热失控排放气体的有效剂量分数（FED）和有效浓度分数（FEC）的最大值分别为0.0053和2.745。热失控传播抑制实验结果表明，通过1 mm气凝胶板隔热或液体热管理系统（1.5 L/min-5°C）后，最大FED值降至0.0018，最大FEC值分别降至1.861和1.203。电池热失控引起的有毒气体排放危害得到显著减轻。

# 引言

全球能源危机和环境污染是未来必须高度关注的严重问题。新能源（风能、太阳能等）正逐步在未来能源利用中扮演重要角色。电池是一种重要的电能储存装置[1]。锂离子电池具有较高的能量密度和循环效率，可用于新能源储能，从而确保新能源使用过程中的安全性和稳定性[2]、[3]。锂离子电池还广泛应用于电动汽车和电子产品中。然而，锂离子电池热失控和火灾事故造成了严重的人员伤亡和经济损失。基于现有研究结果，锂离子电池热失控是不可避免的[4]、[5]。若电池包中单个电池发生热失控，则会传播至相邻电池，导致更为严重的后果。热失控传播机制及其抑制是电池安全领域的关键研究点。

锂离子电池热失控由滥用行为引起，包括机械滥用、热滥用和电气滥用[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。滥用发生后，锂离子电池温度升高，随后因放热副反应而不断积累热量。当电池内部温度超过阈值时，会引发一系列放热副反应，包括SEI分解、活性材料与电解液之间的反应、粘合剂与电极材料之间的反应、正极材料与电解液的分解，导致电池温升速率持续增加，最终引发热失控[11]、[12]、[13]。外部加热是触发电池热失控的典型手段，它直接引发电池温度升高及随后的放热副反应[14]、[15]。Liu等人[16]研究了各种方法触发的热失控特性，结果表明与其他滥用方式相比，外部加热方法具有更好的实验结果可重复性。

为提高电池系统的能量密度，锂离子电池通常以串联和并联方式组成电池包，电池包中的电池一般紧密排列。电池包中单个电池发生热失控后，它将作为热源引发相邻电池温度升高并最终导致其热失控，这会导致严重的火灾和爆炸事故[17]。热失控传播受多种因素影响。电池SOC对热失控传播具有重要影响。Fang等人[18]发现，触发热失控传播所需的最小热量为5 kJ，只有当电池SOC高于50%时才能触发热失控传播。电池包中电池的排列方式也影响热失控传播。Huang等人[19]比较了不同连接模式下电池包中热失控的传播速度，结果表明并联连接会促进热失控传播。Zhou等人[20]的研究也发现，并联电池的热失控传播速度更快，传播强度也更严重。热失控的触发位置影响热失控传播。Huang等人[21]表明，侧面和底部加热条件下的热失控传播速度约为大面积加热的七倍。Wang等人[22]的结果显示，从模块1到模块4的热传递逐渐减小，导致热失控强度降低。此外，热传递条件也影响热失控传播。Zhang等人[23]发现，在高温条件下，电池表面附近区域的热失控比电池内部触发更快，辐射在热失控中起主导作用；在较低温度下，热失控在电池内部触发，内部放热副反应产生的热量对热失控影响更大。电池材料差异也是热失控传播的重要因素。Huang等人[24]发现NCM模块的热失控持续时间和最高温度均高于LIP模块。基于上述结果，影响因素通过改变电池产热和电池间热传递来影响热失控传播。Song等人[25]分析了电池间热失控传播期间的热传递路径。目前研究主要关注电池之间的热传递。大容量电池（如314 Ah）包含两个"电芯卷"（jelly roll），热失控在电池内部两个"电芯卷"之间传播，并在电池之间传播。然而，需要更详细地研究电池内部热失控传播然后向邻近电池传播的过程，包括放热副反应的变化过程、电池内部和电池之间的产热与热传递等。此外，还应研究电池内部热失控传播的差异性。

热失控传播抑制对电池系统安全至关重要。抑制方法主要包括使用隔热材料和热管理系统（TMS）[26]、[27]。TMS主要包括风冷、液冷和相变材料（PCM）。由于液冷具有优异的散热性能和相对较低的成本，已被广泛应用于储能系统和电动汽车等领域。Ke等人[28]的结果表明，蛇形通道中冷却液流量高于96 L/h可有效抑制18650型电芯的热失控传播。Fu等人[29]建立了三维热失控传播模拟模型，模拟结果表明液冷可以有效降低电池温度并抑制热失控传播。Liu等人[30]发现隔热板可用于阻止热失控传播，且气凝胶的阻断效率高于陶瓷纤维。Wang等人[31]开发了一种含磷掺杂MoS?纳米线的新型阻燃环氧树脂（EP）板，可有效防止热失控传播。从上述文献可以看出，目前热失控传播抑制的研究对象主要是低容量电池，缺乏对大容量电池的相关研究。随着市场对大容量和大规格电池需求日益迫切，大容量电池的热安全性将受到广泛关注。对于大容量锂离子电池热管理系统而言，如何选择合适且高效的屏障材料及其组合是防止热失控传播的关键。此外，隔热材料和液体热管理系统对电池内部及电池之间热失控传播的影响以及毒性危害值得深入研究。

本研究旨在研究大容量电池（314 Ah）的热失控传播和抑制。在第2.1、2.2和2.3节中，讨论了热失控传播和抑制的研究对象和实验装置。在第3.1节中，分析了电池内部和电池之间热失控传播现象，随后分析热传递路径以支撑热失控传播现象，最后通过毒性分析提供热失控传播的危害结果。在第3.2节中，分析了隔热材料和液体热管理对热失控传播现象及热失控传播毒性危害的影响。本研究结果可为大容量锂离子电池的安全运行和应急处置提供重要参考和帮助。

# 各部分内容

## 电池样品

本研究使用314 Ah方形电池。电池特性参数见表1。电池以恒流-恒压模式充电至3.65 V，然后以0.5C恒流模式放电至2.5 V，循环三次。最后，在热失控传播测试前以0.5C充电至100% SOC。

## 热失控传播测试

本实验在尺寸为210×190×190 cm的燃烧室中进行。实验装置如图…所示。

### 单电池内部热失控传播

图5显示了电池1#在外部加热条件下的温度、电压变化及图像。根据特性参数变化，热失控过程可分为5个阶段。单电池内部热失控传播过程示意图如图6所示。314 Ah电池包含2个"电芯卷"，由正极、负极、隔膜和电解液组成。两个电池中的四个"电芯卷"被定义为"电芯卷i-1和…"。

# 结论

本研究基于隔热材料和液体热管理系统，研究了314 Ah磷酸铁锂电池的热失控传播及其抑制。基于研究结果，可得出以下结论：

**(1)** 在外部加热条件下，热失控首先在314 Ah锂离子电池内部两个"电芯卷"之间传播，随后从一个电池传播至另一个电池。第二个电池中的热失控传播速度比第一个电池更快。

## CRediT作者贡献声明

刘佳龙：撰写—审稿与编辑，撰写—原稿，方法论，概念构思。金晓明：方法论。张辉：数据整理。刘佳磊：调查研究。赵坤：验证。王志荣：撰写—审稿与编辑，监督指导，经费获取。

## 利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

## 致谢

作者感谢中国国家重点研发计划（2023YFC3009900）、江苏省自然科学基金（BK20240543）、江苏省教育厅高校基础科研（自然科学）项目（23KJB620005）以及国家自然科学基金委员会（52272396，52474233）的支持。

刘佳龙 | 金晓明 | 张辉 | 刘佳磊 | 赵坤 | 王志荣

南京工业大学安全科学与工程学院，南京 21009，中国