鋰電池熱失控的案例
2025大賽優秀作品 | 大容量磷酸鐵鋰電池熱失控期間相變吸熱與噴發研究
作品名稱：大容量磷酸鐵鋰電池熱失控期間相變吸熱與噴發研究
作者： 王佩犇 | 中國農業大學 博士生
關鍵詞：磷酸鐵鋰電池，熱失控建模，噴發降溫，電解液沸騰
作者說
Ansys Fluent求解器穩定可靠，成熟的仿真能做好，難的仿真它能做，開發模型總能快人一步。在面向工程時經常出現的新現象，在明晰機理后總能通過Ansys軟件建立模型。使用者擁有Ansys這款軟件，將具有方法論引領行業前沿的潛力，是高?？蒲信c企業開發必不可少的關鍵工具。
圖1. 電池熱失控沸騰吸熱機理
磷酸鐵鋰電池在儲能電站中應用廣泛，但其熱安全風險威脅電站運行。大容量磷酸鐵鋰電池熱失控呈現顯著的三維分布特性，內部電解液沸騰極大增加了傳熱過程復雜性，制約高安全電池系統設計。為深入理解并量化電解液相變吸熱在熱失控傳熱中的作用，本研究建立了精細模型，核心創新在于量化表征電解液吸熱相變及其對后續傳熱的影響。模型驗證表明：電池表面溫度計算與實驗結果高度吻合(決定系數R2 > 0.9)。該模型為儲能系統安全設計提供了重要手段工具。
挑戰/需求
圖2. 熱失控產熱驅動電解液沸騰；(a) 三維溫度分布；(b)電解液沸騰界面與熱失控前鋒面
儲能磷酸鐵鋰電池熱失控期間存在電解液沸騰吸熱行為，電池內部傳熱復雜。阻礙了高安全電池的設計。急需明晰電池電解液沸騰吸熱原理，建立考慮電解液沸騰吸熱的熱安全模型，以指導電池安全設計。
使用工具：Ansys Fluent
最終成果
圖3. 模型與實驗對標；(a) 電池溫度對標；(b) 反應與質量對比
機理：LFP電池泄壓降溫是：定容過程下的過熱電解液在定壓狀態下發生了沸騰與蒸發導致；
模型：提出了電池內壓-溫度實驗關聯式以及電解液沸騰蒸發吸熱方程。
展開 淺析“碳中和”戰略中鋰電池熱失控機理、COMSOL仿真和對策
在消防圈、儲能（鋰電池研發）圈引起了廣泛的討論。
近日，多起電動自行車燃燒事件也引發社會關注，事故造成多人受傷。
據報道，這次事故主要的問題是電池。北京的這個電化學儲能電站建設有25MWh的磷酸鐵鋰電池儲能。鋰離子電池現在有兩種主流形式，三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池，北京儲能電站使用的是磷酸鐵鋰電，安全性雖然相對更高，但依然會存在熱失控的現象（產品因素、環境因素、安裝因素，也有些電池本身是二手的，也就是動力電池退役后再次使用的）。當磷酸鐵鋰電池熱失控時，電解液中會析出很多易燃易燃爆的氣體，比如一氧化碳、氫氣、乙烯、甲烷、乙烷、碳酸甲乙酯、碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯等，這些氣體與空氣混合形成了爆炸性混合物，遇火源即會發生劇烈爆炸。
為了幫助大家厘清鋰電池熱失控，本文從鋰電池熱失控的基本原理出發，并通過仿真分析來論證熱失控的過程及對策。
一、鋰電池的發展和安全問題
2019年諾貝爾化學獎由M. Stanley Whittingham、John B. Goodenough和吉野彰三維科學家分享，表彰他們在鋰電池發展中的先驅貢獻。[1]正是這一年，鋰電池全行業迎來爆發式增長的元年，資本輪番驅動，引導鋰電池應用擴散至各類細分領域。
鋰離子電池體積小、重量輕、比能量高，無明顯記憶效應且工作電壓高，這些優點讓鋰離子電池早期在消費電子領域快速普及，驅動了消費電子產品前所未有的大發展，迎來了2011年至今的移動互聯網的時代，鋰離子電池產品應用還是保持絕對容量小，少量電芯成組的小規模儲能狀態。
2012年前后，特斯拉異軍突起，引領產業鏈擁抱新能源革命，鋰電池大規模儲能產品不斷被研發、推出應用，逐漸到2019年實現了鋰電池產業鏈的全面爆發，當下，鋰電池更是被委以實現“碳中和”的重要使命。
展開 做到這些，熱失控將不再是鋰電池安全的不治之癥！
Veith等人[10]試圖在根源上避免外力導致的鋰電池內短路發生，設計了一種具有剪切增稠特性的電解液（圖3），該電解液利用非牛頓流體的特性，在正常狀態下，電解液呈現液體狀態，在遭遇突然的沖擊后則會呈現固體狀態，變得異常堅固，甚至能夠達到防彈的效果，從而從根源上避免了在動力電池發生碰撞時電池內短路導致熱失控的風險。
圖3. 剪切增稠電解液示意圖
五、導電劑與粘結劑
導電劑與粘結劑的種類與數量也影響著電池的熱穩定性，粘結劑與鋰在高溫下反應產生大量的熱，不同粘結劑發熱量不同 , PVDF 的發熱量幾乎是無氟粘結劑的2倍 ,用無氟粘結劑代替PVDF可以提高電池的熱穩定性。Jigang Zhou等人[11]最近還通過將復雜復合電極熱失控前后的相分布進行單個電極顆粒層面的成像，并將多種相分離現象在熱失控前后的相關性進行了納米級別的可視化，發現熱失控可能與導電劑以及粘結劑的分布呈現密切的相關性。他們創新性地將具有元素及軌道選擇性、化學與電子結構敏感性的透射X光掃描顯微技術(PEEM)用于研究熱失控下鈷酸鋰層狀電極顆粒在多孔電極中相分離中的行為。熱失控前后相分離在單個電極顆粒層面呈現出超乎預測的不均勻化。這種不均勻化與顆粒尺寸、晶面結構相關性不明顯，但與導電劑以及粘結劑的分布呈現密切的相關性。
鋰離子電池熱失控嚴重威脅著使用者的生命還財產安全，提高鋰離子電池的安全性、避免熱失控的發生不僅需要從電池材料上做出改變，還需要結合電池配方設計、結構設計和電池組的熱管理設計上多管齊下，共同提高鋰電池熱穩定性，減少熱失控發生的可能性。
來源：材料人
展開 汽車鋰電池熱失控與熱管理全新解決方案及新能源電控系統優化方案介紹【8月8日直播】
*精彩直播預告
鋰電池作為主要動力電源之一已被廣泛應用于各個行業，因其高能量的特點，預防電池熱失控進行電池熱管理控制一直是被企業重點關注的問題。為了保證鋰電池的最佳性能、安全性和使用壽命，鋰電池必須在特定的溫度范圍內工作，而如何有效的預防鋰電池熱失控進行熱管理是企業面臨的嚴峻挑戰。?？怂箍倒I軟件旗下的Cradle CFD軟件可以為電池熱失控和熱管理提供全新解決方案。
Cradle CFD軟件具備鋰電池的簡易平衡模型，同時還具備詳細電化學P2D模型，可以對單電池以及整體電池包進行熱仿真。針對電池熱失控問題，現有1D-3D耦合方法計算量大、輸入參數多、計算時間長等問題存在，Cradle CFD軟件開發了新的電池組的半經驗模型，可以給工程師提供高效的工作流程，快速計算開發出強大的鋰電池產品。
本期?？怂箍抵辈ブv堂請到了流體仿真專家李晶博士為我們詳細講解鋰電池熱失控和熱管理全新解決方案，同時幫助用戶了解并結合機器學習優化新能源電控系統解決方案，最后傳遞IGBT等快速傳熱分析所用的BCI-ROM新方法，超多干貨，精彩不容錯過！
8月8日 14:00
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直播內容聚焦
?? 電池整體解決方案：
解決多尺度問題
解決多物理場問題
?? 電池熱安全解決方案；
?? BCI-ROM解決方案。
展開 
儲能電池系統熱失控安全監測傳感器解決方案
熱失控有三個過程，誘發、發生到蔓延，其中引發熱失控的主要原因是過熱、過充、內短路、碰撞等因素。
在鋰離電池熱失控早期，由于電池溫度、放電電壓、放電電流等特征識別參數的變化非常緩慢，通過現代 BMS 無法及早地監測到電池故障，而此時電池內部電化學反應會產生大量的氣體物質，因此，利用氣體檢測傳感器來實現鋰離子電池熱失控早期預警是最有效的辦法。
從餅圖中可看出，電池在熱失控過程中產生這些主要氣體的組分構成非常類似，如圖所示 氣體成分主要為二氧化碳(CO2)、氫氣(H2)、一氧化碳(CO)，其余小部分氣體主要為小分子烴類物質(CH4、C2H4等)。
我們可以從動力鋰電池熱失控時產生的大量氣體入手，鋰離子電池熱失控的時候，電池內部會有大量的一氧化碳釋放出來。所以我們可以通過檢測一氧化碳的濃度來判斷電池熱失控。在這里工采網給大家推薦一款紐扣式一氧化碳傳感器（CO傳感器）TGS5141：
TGS5141-P00
紐扣式一氧化碳傳感器TGS5141，該傳感器具有靈敏度高、可靠性好、壽命長等優點，非常適用于電池熱失控檢測。
CO傳感器TGS5141是可電池驅動的電化學式傳感器，使用一個特殊的電極取代了儲水器，由于去除了TGS5042中使用的儲水器，TGS5141與TGS5042相比，其外形尺寸縮減到只有后者的10％大小。非常適用于高集成電子產品，對CO的靈敏度高、將CO濃度線性輸出，設計方便，自帶出廠預標定靈敏度系數，方便用戶使用與性能追溯，壽命長達10年以上。
展開 基于lab-on-fiber技術原位監測鋰離子電池熱失控
來源 | Nature Communications
01
背景介紹
隨著全球范圍內能源危機的出現，并在“雙碳”目標驅動下，鋰離子電池獲得了蓬勃發展，然而電池熱失控被喻為威脅電池安全的“癌癥”，是制約電動汽車與新型儲能規?；l展的核心瓶頸。因此亟需深入理解鋰離子電池熱失控演變機制，并提出早期預警策略以防止火災爆炸事故的發生。導致電池熱失控的根源，是電池內部一系列復雜且相互關聯的“鏈式副反應”。最具代表性的鏈式反應包括：外部電、熱、機械濫用→內部產熱→SEI膜分解→負極與電解液反應、產氣→隔膜熔化→內部短路→安全閥開啟→正極與電解液反應、產氣→電解液分解、產氣→電解液、氣體燃燒→起火爆炸！從局部短路到大面積短路，電池內部溫度快速提升，可高達800℃以上，引發電池起火爆炸。由此可見，“溯源電池熱失控發生的內在誘因，厘清各分步反應之間的耦聯關系，揭示熱失控主導機制與動力學規律，前移熱失控預警時間窗口”是從根本上解決儲能安全問題的核心。然而，由于電池的密閉結構和內部復雜的反應機制，電池內部核心狀態參量檢測的準確性和實時性無法保證。最新報道的具有“透視”檢測能力的科學儀器（如中子衍射、X射線衍射、冷凍電鏡等），由于儀器體積龐大、價格昂貴，無法應用于電池使用終端。如何科學、及時、準確地預判電池安全隱患，成為當前電池安全領域的國際性科學難題。
02
成果掠影
近期，中國科學技術大學孫金華教授和王青松研究員團隊與暨南大學郭團教授團隊提出了一種可植入電池內部的多模態集成光纖原位監測技術，在國際上率先實現了對商業化鋰電池熱失控全過程的精準分析與提早預警。
展開 基于comsol的軟包鋰電池熱濫用失控蔓延分析
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</div><p> 鋰離子動力電池作為電動汽車的主流動力源，具有高比能量的特點。而目前汽車用動力電池多采用數量較多的小容量電池進行串并聯成組以滿足高能量的要求。這樣，汽車動力電池系統的安全問題就不再僅僅是電池單體的安全問題，而是電池成組安全問題。近年發生的汽車動力電池事故，均是由于電池組中的某一個電池單體發生熱失控后產生大量熱，導致周圍電池單體受熱產生熱失控。這樣，電池組內的熱失控蔓延問題就是電池成組安全問題的主要關注點。</p><p> </p><p> 熱失控的發生劃分為三個階段，自生熱階段（50℃-140℃），熱失控階段（140℃-約850℃），熱失控終止階段（850℃-常溫），文獻提供的隔膜大規模融化溫度起始于140℃。</p><p> 如果周圍有其他電芯，則在此階段，通過把熱量向周圍傳播，熱失控可能向其他電芯蔓延。熱量可能通過連接的導電件傳導，也可能因為體積膨脹，原來保有間距的電芯，在此時已經彼此貼緊，電芯殼體之間直接傳導熱量。蔓延不能有效阻斷，將產生整個電池模組爆炸燃燒風險。
展開 專家解讀新能源車自燃的罪魁禍首：鋰電池熱失控
典型案例
給大家分享一個由于機械濫用造成內部短路，最終導致熱失控的案例。
1. 利用LS dyna獲得碰撞后形變信息
2. 設置MSMD模塊
3. 設置熱失控模型
4. 仿真結果
新能源電動車頻發的自燃事故讓各大廠商更加重視鋰電池熱失控問題的研究，也讓鋰電池安全升級成為消費者對新能源電動汽車最擔心的問題。電池熱失控造成重大危害的警鐘已敲響，如何能夠在新能源汽車大勢所趨的歷史浪潮中，保障最終交付產品的性能和行駛安全，如何加強新能源汽車的能源管理，提高安全水平，成為整個產業亟待解決的問題，也是值得行業內的深思和探究的。
為此，ANSYS中國將于7月23日在上海舉辦一場鋰電池及燃料電池仿真設計解決方案專題研討會，屆時就鋰電池和燃料電池的關鍵技術問題進行探討和研究，本次研討會特邀ANSYS首席研發專家李少平博士和李革農博士，為大家帶來ANSYS FLUENT在鋰離子電池、燃料電池以及通用電化學方向的仿真技術應用和前沿發展，ANSYS中國流體高級工程師井文明也會就鋰離子電池仿真中的熱失控及LTI ROM進行現場演示，我們期待您的參與！
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展開 Amesim電池教程 電池熱失控模型 在線閱讀
概述
本文旨在描述Amesim中的電池熱失控模型的建模原理、使用方法，在電池熱失控過程中，各階段反應放熱模型以及各參數的物理意義。
模型原理：對于各階段的化學反應，基于用戶通過熱測試試驗標定好的參數，根據半經驗公式（Arrhenius）計算各階段的反應速率，再由反應速率對時間積分計算反應物質消耗及其放熱量。詳細過程如下所述。
2. 電池熱失控過程
2.1. 產生原因
當鋰電芯內部的生熱速率超過單體對外部的散熱速率時，鋰電池將發生熱失控現象。因此，鋰電池在任何情況下（充電/放電/存儲），都有安全溫度的限制要求Tlim。
A）正常工作區與失控發生區 B）外部溫度升高導致熱失控 C）換熱能力下降導致熱失控
電池熱失控的成因有多種，取決于電池自身的狀態以及外部因素
內部原因：
例如：電池內部化學原因導致的內部短路，電池自身的設計缺陷，電池的生產制造缺陷，電池的過充，BMS的軟硬件故障。
外部原因：
例如：機械外力（事故）導致的電池內部短路（穿刺等），外部環境溫度過高，外部電路短路等。
鋰電池熱失控的起始溫度（OTR-Onset of Thermal Runaway）一度被認為是鋰的熔點，大概180degC。但實際上在這之前已經發生了一系列的持續放熱化學反應，因此，實際熱失控的起始溫度要遠低于該值，對于一塊充滿的鋰電池，熱失控一旦發生，其內部溫度將持續增高，最高可達600 degC。
展開 應用COMSOL APP分析鋰電池熱失控蔓延防控措施
而對于電池來說，最大的安全事故就是電池的熱失控，電池的熱失控，嚴重的時候將會導致電池出現自燃，當電池的熱失控到達一定的溫度之后，就會出現不可控的自發熱狀態，一旦自發熱熱源超過電池散熱能力，會導致電池內部的溫度直線上升，然后就會燃燒爆炸和釋放有毒氣體。實驗中用高速攝影機記錄了熱失控噴發全過程，從測試中發現了噴射流呈現了氣-液-固三相共存的特征，其中氣體噴射速度高達137m/s。</p><p> </p><div contenteditable="false" width="100%"><div><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202112/7d2962069e934c89a2dfd4b8a20904a9.png" title="QQ圖片20211209212621.png" alt="QQ圖片20211209212621.png" style="max-width:760px;" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/upload/202112/7d2962069e934c89a2dfd4b8a20904a9.png?image_process=/format,webp/quality,q_40/resize,w_400" data-pc-src="https://img.jishulink.com/upload/202112/7d2962069e934c89a2dfd4b8a20904a9.png?
展開 不同老化路徑對鋰離子電池熱失控行為影響對比研究
負極的析鋰和SEI膜副反應均消耗鋰離子，將造成可用鋰離子損失，同時生成的副反應產物會造成負極孔隙率下降，進一步導致負極活性物質損失和內阻增加。電解液消耗副反應會導致電池內阻急劇增加，但反應的具體機理目前仍未清楚。在熱失控特性演變方面，電池正極材料的熱穩定性在全生命周期內無明顯變化，電池熱失控特性演變主要取決于負極材料+電解液反應體系的變化。其中，負極析鋰將導致電池熱失控溫升速率明顯增加，T1和T2大幅降低，熱失控特性急劇變差。負極SEI膜增厚本身對電池熱失控特性影響不大。然而，當SEI膜增厚消耗大量的可用鋰離子，引起負極嵌鋰量明顯下降時，電池負極材料的熱穩定性將會提升，相應地，電池的熱失控特性也會變好，具體表現為自產熱起始溫度T1升高，熱失控溫升速率降低。電解液消耗將導致電池熱失控釋放的總能量減少，最高溫度T3降低。
4.總結
作者研究了不同老化路徑對鋰離子電池熱失控行為的影響，發現老化過程中正極發生的副反應（包括正極顆粒破碎、CEI膜增厚以及過渡金屬溶解等）對電池熱失控特性演變無明顯影響，電池全生命周期熱失控特性演變主要取決于負極材料+電解液反應體系產熱特性的變化。具體地，電解液消耗會引起電池熱失控釋放的總能量減少，最高溫度T3降低。SEI膜增厚引起的負極嵌鋰量明顯下降將導致負極材料的熱穩定性提升，引起電池自產熱起始溫度T1升高，熱失控溫升速率降低。然而，負極析鋰將導致電池的絕熱熱失控性能急劇變差，具體表現為熱失控溫升速率明顯增加，T1和T2大幅降低。
—— 感謝閱讀 ——
展開 
鋰電池仿真熱失控仿真解決方案
本文主要分享公司某工程師關于鋰電池仿真、熱失控仿真解決方案。
本案例模型及相關操作，請與我溝通交流。
精華 | 基于TAITherm軟件的鋰離子電池熱失控仿真
動力電池的安全問題是社會各界廣泛關注的問題，而鋰離子電池的熱失控是動力電池安全事故的隱患之一。本文介紹如何基于專業熱仿真軟件TAITherm進行熱失控模擬，進而為電池包散熱策略優化提供依據。 （圖片來源于網絡）
依據電池單體組分材料和電池的放電特性，考慮電池的串并聯關系，基于TAITherm軟件的電池模塊快速搭建電池單體或者電池包的熱電耦合模型，并分析電池充、放電過程中電池電壓和溫度場變化。基于TAITherm軟件的電池熱電耦合模型如下圖所示：
如何基于熱電耦合模型進行過充電等電濫用引起的單體電池熱失控仿真呢？
需要先從過充電的內部反應機理說起：
正常充電期間，引起鋰離子電池溫升的熱源有電化學反應熱、極化熱和焦耳熱，這些熱量值較小，引起電池溫升效果不太明顯，而鋰離子電池一旦發生過充電，正極析出過量鋰并且不斷向負極嵌入，導致SEI膜增厚，電池內阻不斷增大，進而使產生的焦耳熱增多；隨著過充電的持續進行，電池內部發生微短路現象，產生大量焦耳熱，甚至引發電池內部副反應。鋰離子電池過充電時的熱源可以分為兩大部分：即副反應熱和除副反應熱之外的其它熱，而電化學反應熱和極化熱相較于焦耳熱數值較小，其它熱源項主要為焦耳熱。 焦耳熱由TAITherm軟件的電模型計算，作為電池的初始熱源項輸入到TAITherm熱模型中，熱模型通過該熱源計算得到電池溫度，并將溫度返回到TAITherm副反應腳本用以觸發各副反應。同時，副反應產生的熱源輸入到熱模型，通過不斷迭代計算實時獲取電池溫度，如下圖所示：
焦耳熱的計算采用如下公式：S1=I2R，其中R為內阻，需要將TAITherm電模型的內阻數據從正常充放電范圍擴展到過充電條件下的內阻值。
展開 鋰離子單體電池仿真熱分析
從本質上而言，“熱失控”是一個能量正反饋循環過程：升高的溫度會導致系統變熱，系統變熱后溫度升高，又反過來讓系統變得更熱。
圖1-鋰離子電池熱失控過程圖
第1階段：電池內部熱失控階段
電池在80～90℃時是安全的，溫度升高到90～120℃之間時 SEI 膜開始分解，釋放熱量，溫度升高。但是當溫度達到120～130℃時保護層SEI膜遭到破壞，負極與溶劑、粘結劑反應，溫度升高，隔膜融化關閉。溫度繼續升高至150℃之上后，內部電解質開始進行分解，繼續釋放熱量，進一步加熱電池。
第2階段：電池鼓包階段
電池溫度達到200℃之上時，正極材料分解，釋放出大量熱和氣體，持續升溫。250-350℃嵌鋰態負極開始與電解液發生反應。
第3 階段：電池熱失控，爆炸失效階段
在反應發生過程中，電解液與正極反應產生的氧氣劇烈反應并進一步使電池發生熱失控。
鋰離子電池熱失控成因
其實一般電池內短路在電子產品中出現的概率是千萬分之一，也就是說平時生活中用到的單個電池安全性相對較高。但是在電動汽車中，一輛電動汽車的電池組需要幾千個電池組成，這樣發生熱失控的概率就由千萬分之一上升到千分之一。而且電動汽車的電池一旦發生危險，后果將非常嚴重，研究電池熱失控的成因變得尤為重要。
展開 電池熱失控的檢測和BMS的發展方向
▲圖2.電池系統里面影響壓力變化的一些事件
2.汽車傳感器
由于燃料電池的原因，過往汽車傳感器廠家其實有一些技術儲備，主要是基于H2的泄露檢測，把這個借用過來用在鋰電池熱失控檢測上是比較好的解決方案。
▲圖3.基于壓力、CO2和H2傳感器對單電池熱失控的檢測
Part 2
電池管理系統的未來
在下面的恩智浦的《Next-Generation Architectures For Battery Management Solution》里面有一張圖比較典型，我們能看到在三電領域，都出現了高低壓分離，硬件和軟件分離的情況發生，也就是說未來分布式的電池管理軟件，可能會被集成到Domain 控制器甚至是放到集中運算平臺里面。
我的理解是，隨著熱失控緩解用到更多的熱管理組件，想要覆蓋上述這么多熱失控檢測和熱失控延緩，必然要形成集中處理的模式，同時對下層的硬件進行激活。
備注：這個過程還是比較慢，主要是BMS運算相對要求實時。
▲圖4.電池管理系統把自己做成全硬件產品
小結：我個人覺得，在這個電池檢測和熱失控延緩領域，會衍生出比較多的主動控制措施，需要調用更多的資源，這也使得電池管理的軟件更快進入上層。
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