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文/憑欄眺【此篇為文章回顧，首發(fā)于2019年7月19日】

鋰離子電池高能量密度，長(zhǎng)循環(huán)壽命使得其在消費(fèi)電子領(lǐng)域取得了巨大的成功，近年來隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展，鋰離子電池在動(dòng)力電池領(lǐng)域正在復(fù)制其在消費(fèi)電子領(lǐng)域的成功。然而在其成功的道路上仍然有些許陰霾，這就是鋰離子電池的安全問題，熱失控是鋰離子電池最為嚴(yán)重的安全問題，一旦發(fā)生熱失控會(huì)對(duì)電動(dòng)汽車的使用者的生命和財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成巨大的威脅，然而多數(shù)人對(duì)于鋰離子電池的熱失控還停留在起火爆炸等表觀現(xiàn)象上，對(duì)于熱失控的內(nèi)在機(jī)理仍然缺乏充分的認(rèn)知。

德國大眾汽車的Alexander Bo?rger（第一作者，通訊作者）等人對(duì)鋰離子電池的熱失控研究方法進(jìn)行了探討，從而幫助我們找到更好的提升鋰離子電池安全性的方法，提升電動(dòng)汽車的使用安全性。

目前對(duì)于鋰離子電池?zé)崾Э氐呐袛?，不同的?guī)范有不同的標(biāo)準(zhǔn)，例如GTR 20文件中認(rèn)為，如果我們同時(shí)檢測(cè)到鋰離子電池發(fā)生下述的1和3或者同時(shí)發(fā)生2和3則意味著鋰離子電池發(fā)生了熱失控。

1）電池電壓突然降低。

2）電池溫度超過了最大允許溫度。

3）電池溫度速率大于1攝氏度/秒。

但是作者認(rèn)為上述的判斷熱失控的標(biāo)準(zhǔn)仍然不能完全覆蓋鋰離子電池所有熱失控的可能性，例如作者在這里舉例，如果一串鋰離子電池中存在一只內(nèi)阻非常大，因此會(huì)導(dǎo)致整個(gè)回路的電壓幾乎都加在這一只電池上，同時(shí)回路電流會(huì)降低到非常微弱，因此鋰離子電池不會(huì)發(fā)生上述條件中的情況，但是由于施加在該電池上的高電壓會(huì)導(dǎo)致該電池發(fā)生大量的副反應(yīng)，最終也會(huì)導(dǎo)致鋰離子電池發(fā)生熱失控。但是小編認(rèn)為這種情況雖然理論上存在，但是在實(shí)際中幾乎不存在這種可能性，大眾的工程師實(shí)在是多慮了。

另外一種判斷鋰離子電池?zé)崾Э氐姆椒ㄊ遣捎?/span>EUCAR災(zāi)害等級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)，該分類方法認(rèn)為如果鋰離子電池發(fā)生了起火、爆炸等現(xiàn)象時(shí)才意味著鋰離子電池發(fā)生熱失控。但是這一標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)將我們引入誤區(qū)，讓我們只關(guān)心上述的指標(biāo)，而不是真正的提升鋰離子電池的安全性。

因此如何避免在鋰離子電池安全性研究時(shí)走入誤區(qū)，就需要從本質(zhì)上對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э氐漠a(chǎn)生和發(fā)展過程有更多的認(rèn)識(shí)和了解，從而避免一葉障目。溫度是研究鋰離子電池?zé)崾Э噩F(xiàn)象最為重要的參數(shù)，鋰離子電池的溫度變化是來自于鋰離子電池產(chǎn)生，以及從外界吸收的熱量與通過環(huán)境散出的熱量之間的差值，一般來說我們認(rèn)為鋰離子電池的溫度變化可以分為三個(gè)階段：

（1）   溫度高于最低溫度限制，但是低于正常工作溫度上限，此時(shí)電池能夠安全和正常的工作。

（2）   溫度突破電池正常工作溫度上限，電池內(nèi)部開始發(fā)生不正常反應(yīng)，此時(shí)需要我們采取降溫，減小工作電流等一些列措施避免鋰離子電池發(fā)生熱失控。

（3）   溫度繼續(xù)升高，突破電池安全溫度上限，電池內(nèi)部開始發(fā)生大量的防熱反應(yīng)，此時(shí)已經(jīng)無法采取任何外部措施，電池不可避免的發(fā)生熱失控，電池溫度持續(xù)升高，內(nèi)部壓力持續(xù)增大。

最粗略的講，鋰離子電池發(fā)生熱失控?zé)o非就是產(chǎn)生熱量的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電池的散熱速度，大量的熱量在電池內(nèi)部積累，引起電池溫度急劇升高從而造成熱失控，因此電池?zé)崾Э夭⒎遣豢勺柚?，只要有足夠?qiáng)的冷卻手段，沒有什么熱失控是阻止不了的，例如歐陽老師就曾經(jīng)用低溫液氮對(duì)熱失控的電池進(jìn)行冷卻，瞬間阻止熱失控，但是實(shí)際使用中往往很難找到如此強(qiáng)的冷卻手段，也就造成了熱失控不可控的固有觀念。

因此鋰離子電池?zé)崾Э氐难芯康年P(guān)鍵還是在于產(chǎn)熱情況和散熱情況的研究，根據(jù)熱失控時(shí)鋰離子電池產(chǎn)熱條件和散熱條件，作者將鋰離子電池?zé)崾Э貢r(shí)所處的狀態(tài)分為下面幾種：

1）電池發(fā)生熱失控時(shí)外電路的電流已經(jīng)被開關(guān)或保險(xiǎn)絲切段，但是散熱系統(tǒng)仍然不足以帶走鋰離子電池產(chǎn)生的全部熱量。

2）電池在發(fā)生熱失控時(shí)，外電路電流仍然持續(xù)存在，但是散熱系統(tǒng)不能把把所有的熱量帶走。

3）介于上述第1和第2中情況之間，在發(fā)生熱失控后的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)或者電池達(dá)到某個(gè)溫度后，外電路電流被切斷。

4）電池的工作電流超出了電池的最大允許電流。

5）外部大量的熱量引起了鋰離子電池發(fā)生熱失控。

鋰離子電池散熱途徑主要包含對(duì)流、傳到和熱輻射，因此鋰離子電池最大散熱能力我們可以通過下式進(jìn)行計(jì)算，其中λ為熱傳導(dǎo)系數(shù)，A為鋰離子電池的有效面積，T_surf為電池表面溫度，T_amb為環(huán)境溫度，h為對(duì)流熱傳導(dǎo)系數(shù)，t為時(shí)間，ε為電池表面的發(fā)射率，σ為Stefan-Boltzmann常數(shù)。

電池的產(chǎn)熱可以用下式進(jìn)行計(jì)算，其中Q₁位從周圍環(huán)境經(jīng)過輻射、傳導(dǎo)和對(duì)流等方式傳遞到電池的熱量，Q₂為電流產(chǎn)生的熱量，例如常規(guī)的歐姆熱，電池外短路、內(nèi)短路的大電流產(chǎn)生的熱量，Q₃為電化學(xué)反應(yīng)熱，Q₄位純的化學(xué)反應(yīng)熱，Q₅位其他熱量，例如氣體體積變化產(chǎn)熱。

因此在不同的引起鋰離子電池?zé)崾Э氐那闆r下，我們研究鋰離子電池?zé)崾Э貢r(shí)也應(yīng)該有不同的側(cè)重點(diǎn)，如果鋰離子電池是由于外部電流過大引起的溫度急劇升高，則需要需要首先對(duì)電池處于充電狀態(tài)還是放電狀態(tài)進(jìn)行判斷，如果是充電過程發(fā)生熱失控則需要對(duì)充電功率等指標(biāo)進(jìn)行研究，如果是放電狀態(tài)則需要將電池的SoC和溫度等指標(biāo)考慮在內(nèi)。如果是由于外部短路引起的外部大電流，則需要考慮是否需要在電池上增加保險(xiǎn)絲，防爆閥等措施，以便在短路發(fā)生時(shí)能夠及時(shí)切斷電池的電流。而如果是電池內(nèi)部短路引起的鋰離子電池?zé)崾Э貏t情況還會(huì)進(jìn)一步變?cè)?，因?yàn)闆]有任何開關(guān)或保險(xiǎn)絲能夠切斷內(nèi)短路，特別是如果發(fā)生內(nèi)短路的電池組合在電池組內(nèi)時(shí)，短路點(diǎn)的電流還會(huì)進(jìn)一步增加，導(dǎo)致鋰離子電池難以避免的發(fā)生熱失控，此時(shí)主要的研究應(yīng)該集中在電池內(nèi)部缺陷控制，減少內(nèi)短路風(fēng)險(xiǎn)。如果鋰離子電池?zé)崾Э厥怯捎谕獠考訜嵩斐傻?，則需要電池本身耐熱性能和電池組的散熱系統(tǒng)的散熱能力兩個(gè)方面進(jìn)行研究。

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Thermal runawayand thermal runaway propagation in batteries: What do we talk about? Journal of Energy Storage 24 (2019) 100649,Alexander Bo?rgera, Jan Mertens, HeinzWenzl