鋰離子電池熱失控的案例
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 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模化發展的核心瓶頸。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 儲能電池系統熱失控安全監測傳感器解決方案
實現“雙碳”目標，能源是“主戰場”，電池儲能是一種實現綠低碳最為行之有效的辦法，電池儲能市場也迎來了新的拐點。自儲能產業的發展被提上日程以來，儲能電池市場呈現了指數型增長的態勢，甚至電池儲能市場出現了供不應求的局面，隨著電池儲能系統裝機量的增加，寧德時代、中航鋰電、比亞迪等電池企業也在儲能應用板塊持續加碼，迎接萬億市場的到來。
電池儲能快速增長，安全問題不容忽視
電池儲能的快速發展對于構建新型綠色能源，實現“碳中和”目標有著積極的推動意義。但是安全問題似乎又成為了限制電池儲能行業發展的一大因素.
新型儲能是指除抽水蓄能以外的其他新型的電化學儲能、物理儲能和電磁儲能技術。截至2021年底，中國新型儲能裝機2.4GW，占儲能裝機總容量的12.5%，其中鋰離子電池儲能占新型儲能的89.7%，是當前發展最快速、應用最廣泛、相對成熟的新型儲能技術路線。然而，鋰離子電池儲能電站火災爆炸安全事故時有發生，已成為制約電池儲能規模化發展的主要障礙。據不完全統計，從2011年至2021年，全球儲能安全事故共發生50余起，其中事故起數排名前4位的是：韓國30余起、美國10余起、中國4起、澳大利亞3起。2022 年 1-5 月， 全球就已經發生了 17 起以上的儲能著火事故。國內在電池儲能站快速發展的同時，由于 電池、PCS 質量問題或者系統集成商施工能力良莠不齊，電池儲能火災隱患較為嚴重， 起火事故頻繁。鋰離子電池儲能安全問題是世界性難題，也成為建設新型電力系統安全難題。
通過對儲能事故分析發現，造成事故的主要因素有以下幾點：鋰離子電池熱失控。儲能電池單體因質量缺陷、機械損傷、受熱或外部短路等導致鋰離子電池內短路，引發電池熱失控起火，在熱濫用的作用下，整個電池模組和電池簇被點燃甚至發生爆炸。
什么是電池熱失控？
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。
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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 做到這些，熱失控將不再是鋰電池安全的不治之癥！
電池熱失控是起火爆炸事故的主要原因。像特斯拉汽車、三星手機等起火事件都涉及到了鋰離子電池的熱失控問題。鋰離子電池的工作溫度范圍很窄，在15～45℃之間，如果溫度超過臨界水平，便會發生熱失控。鋰離子電池一旦發生熱失控，會引發停不下來的連鎖反應，溫度在幾毫秒內迅速上升，內部產熱遠高于散熱速率，電池內部積攢大量熱量，使電池變成氣體，導致電池起火和爆炸，并且幾乎不能以常規方式撲滅，直接威脅到用戶安全。
當前引發鋰電池熱失控的因素多種多樣，總結起來主要有過熱、過充、內短路、碰撞等引起的發熱失控。如何提高電池的安全性，把熱失控的風險降至最低成為人們研究的重中之重。對于單電池來說，其安全性除了與正極材料相關外，還與負極、隔膜、電解液、粘結劑等其他電池組成部分有著很大關系。下面展開講述研究者們是如何在電池材料上降低電池熱失控風險，提高鋰電池安全性。
一、正極材料
出于安全性考慮，正極材料需要與電解液的相容性和穩定性好。常見的正極材料在溫度低于650℃時是相對比較穩定的，充電時處于亞穩定狀態。在過充的情況下，正極的分解反應及其與電解液的反應放出大量熱量，造成爆炸。鈷酸鋰、鎳酸鋰的熱穩定都比較差，鎳鈷錳酸鋰三元材料由于其比容量高、具有較高的比能量密度，成為當下正極材料的理想之選。然而三元材料中鎳的含量較高，材料的循環性能難以保證，熱穩定性較差。
富鎳正極材料在高電壓（>4.3V）和高溫（>50℃）下循環過程中發生結構坍塌導致二次顆粒連續產生微裂縫。這些微裂縫斷開一次顆粒之間的電通路，在相轉變過程中釋放氧氣，導致電化學性能變差。Jaephil Cho教授課題組[1]通過對一次顆粒進行納米表面修飾來克服富鎳正極材料的上述問題，經過處理的一次顆粒表面復含鈷，通過抑制從分層結構到巖石鹽結構的變化來緩解微裂紋產生。
展開 鋰電儲能系統熱失控防控技術研究進展
儲能電站鋰離子電池火災事故頻發引起了人們對鋰離子電池熱失控特性和防控技術的關注與重視。本文將儲能電站鋰離子電池在外部濫用條件下的熱失控演化過程劃分為3個階段和6個過程，分別是熱失控早期、熱失控發生期、火災初期3個階段和放熱、產氣、增壓、噴煙、起火燃燒和氣體爆炸6個過程。整個演化過程各階段并不是獨立的，而是化學反應重疊交叉進行的。因儲能電站火災與傳統火災燃燒特性差異較大，需根據其熱失控演化過程特點提出針對性的防控措施。本文梳理了近年來鋰離子電池熱失控特性和防控技術的研究進展，對鋰離子電池熱失控演化過程、監測預警技術、熱失控抑制和滅火技術等方面進行了歸納總結與展望。
儲能風冷/液冷系統熱管理設計策略與仿真-十二大專題電池儲能熱管理設計仿真入門進階45講
鋰離子電池目前被廣泛應用于儲能領域，儲能電站火災爆炸事故頻發引發了人們對電化學儲能電站安全性的極大關注。鋰離子電池是儲能電站電能的能量載體，其電極體系組分具有很高的熱危險性，封裝成電池后其熱危險性加劇。2021年4月，北京豐臺區儲能電站發生爆炸事故，造成兩名消防員死亡，使得公眾對儲能電站的應用前景擔憂。近年來發生的儲能電站火災爆炸事故如表1所示。
儲能電站鋰離子電池的火災爆炸事故，主要是電池單體發生內短路后使得電池熱失控起火燃燒，進一步熱失控擴展到相鄰電池，從而形成大規模火災，在受限空間中氣體積聚到一定程度時，遇到點火源，又會發生爆炸。盡管鋰離子電池存在自引發內短路致使熱失控的風險，但是概率很低，僅為百萬分之一。一般認為，熱失控是在外部誘發條件如熱濫用、電濫用、機械濫用下造成的。儲能電站鋰離子電池發生熱失控時，電池間會發生熱失控蔓延，進一步引發大規模的電池燃燒，如圖1所示。
展開 淺析動力電池熱失控機理和仿真分析
熱失控防范具體要從一下幾個方面具體展開：電芯/電化學、模組成組、溫度的控制、電壓的控制、材料選擇、系統熱管理、機械電氣。確保每個環節做到安全，才能保證系統的安全。
1、過溫保護
針對高溫熱源引起的鋰離子電池溫度過高，應盡量減少或避免車輛在高溫條件下長期行駛和放置鋰離子電池自身溫度過高，由于過充電時電池內部產熱增多，造成其溫度過高，應設置過溫預警和保護裝置，根據不同類型電池的性能和耐溫特性，設置不同溫度閾值，裝置根據監測溫度執行不同的報警提示或保護動作。
2、改善散熱條件
根據實際情況選用風冷、液冷和相變材料冷卻等冷卻方案使電池在穩定的溫度區間工作
此外，通過確定上述各散熱方案能進行有效冷卻的溫度范圍，根據情況設定不同的溫度閾值，對鋰離子電池溫度進行實時監測，當監測到溫度達到某一閾值時啟用相應的散熱措施，達到散熱良好和節約成本的雙重目的。
3、優化電池組結構設計
電池模組的設計對電池散熱和溫度也有一定的影響。可在電池單體及模組表面加貼高導熱片以及改善單體之間的排列和間隙設置，使電池能夠良好地散熱，也可通過改善電池箱體用材料，如新材料：導熱石墨、鋁—鋰合金等，進一步提升電池箱體的散熱性能，使其散熱良好，防止熱失控現象的發生。
4、提高材料穩定性
電池高溫條件下的溫度變化情況知，組成鋰離子電池材料的熱穩定性是影響鋰離子電池熱安全性的主要原因之一。提高材料穩定性和減少各副反應的產熱量可以提高鋰離子電池的熱安全性。
5、過充保護
通過對過充電熱失控仿真知，鋰離子電池過充電尤其是大電流過充時，將發生熱失控的危險。
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 汽車專題第三期 |新能源汽車—電池篇（三）
本期為新能源汽車專題之電池篇，里面有優質文章、免費視頻、最新文檔，快看看有沒有大家感興趣的內容吧！
文章
1.新能源電池包散熱系統CAE仿真實例
主要內容：電芯導熱界面設置、功耗設置及風機選用、分析模型、仿真結論...
點擊鏈接查看內容：https://jishulink.com/content/post/1825000
2.CAE技術助力新能源汽車動力電池開發
主要內容：電芯到電池包的生產過程、CAE技術對動力電池組進行仿真分析的幾個方面、完成分析需提供哪些信息、電池包整體結構CAE仿真流程...
點擊鏈接查看內容：https://jishulink.com/content/post/1825196
3.怎樣利用CAE來研發電動車電池？
主要內容：固定型VRLA電池和36V—VRLA電池的分析目的、分析方法、分析結果、提高可靠性能...
點擊鏈接查看內容：https://jishulink.com/content/post/1825423
4.鋰離子單體電池仿真熱分析
主要內容：鋰離子電池熱失控過程、鋰離子電池熱失控成因、Abaqus的建模分析過程...
展開 電動汽車鋰離子電池安全性能檢測淺析
同時他提出了三級保護措施來有效的避免熱失控，降低熱失控的危害：熱失控前的被動防御與預警、增強固有熱穩定性以及減少熱失控擴散等二次危害。
鋰離子電池的熱失控給人民的生命與財產安全帶來了隱患，如何早期預警熱失控以及提高電池的安全特性是亟待解決的問題。研究人員將電池的溫度、電壓、電流以及副反應產生的氣體作為熱失控的預警信息，實時監控這些參數的變化，從而有效的預防電池材料的熱失控。賈曉洪提出在電池內短路模型建立的基礎仿真鋰離子內部短路情況下的電壓曲線的特性，作為支持向量機（SVM）的樣本集，選取合適的核函數以及參數，采取分段提取的特征并有效的結合遺傳算法優化檢測熱失控，取得不錯的熱失控預警效果。
秦小英設計采用DSP為核心的計算方式完成電池運行狀態的檢測，并利用Java程序完成電池運行的顯示、計算以及控制命令的下達等功能，實現了電池安全性能的強實用性與強靈活性。
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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。
采用電池冷卻方法的鋰離子電池熱管理策略：現狀與挑戰
來源 | Journal of Energy Storage
01
背景介紹
由于全球變暖問題不斷加劇，對清潔能源替代品的需求持續增長，電動汽車電池憑借高效率、安全性和可靠性等特點，使電動汽車(EV)行業迎來了大幅增長。然而，這些電池也存在一些限制因素，盡管生產小型、安全、高性能、和可靠的電池有困難，但這也迫使電動汽車制造商在電池領域進行更多的投資。近年來，電動汽車越來越受歡迎，為人們提供更多的舒適性和節省成本。
02
成果掠影
近期，韓國嶺南大學Gyu Sang Choi和Sung Chul Kim老師團隊分析了各種電池熱管理系統(TMS-Bs)冷卻方法及其在可行性、成本和壽命方面的優缺點，討論了熱失控(TR)機制，模型和策略，以減輕TRS問題。有效的TMS-B可以減輕電池的TR，并提高其性能和壽命。總體而言，TMS-B對于維持電動汽車中使用的LBS的最佳溫度范圍至關重要。一個有效的TMS-B可以減輕TR，并提高性能和壽命，然而，需要進一步研究TMS-B的結構、工作介質、流道尺寸和液體填充能力，同時更好地理解電池、模塊和包裝如何應對快速充電情況是十分必要的。
展開 基于comsol的18650鋰電池熱濫用失控分析 ￥2500
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</div><p><br></p><p><br></p><p>熱失控是鋰離子電池最嚴重的安全事故，儲存在鋰離子電池內部的電能和化學能在短時間內大量釋放，使得鋰離子電池內部的溫度甚至能夠達到900℃以上，同時熱失控中電解液、活性物質分解產生的大量氣體會導致電池內部的壓力急劇升高，甚至引起鋰離子電池的爆炸。為了保證在鋰離子電池的安全性，通常我們會在電池殼上設計一個防爆閥，在壓力過高時能夠及時被破壞，釋放電池內部的壓力，防止熱失控中電池發生爆炸。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/201909/7d5c73bb95e8419ea86442e5ee7bd214.gif"></p><p> 對于18650電池而言，防爆閥設計在電池的上蓋之中，防爆閥還兼具了斷路器的功能，在電池內部壓力升高到一定程度時，防爆閥動作切斷電流回路，當電池內部的壓力進一步升高時，防爆閥結構被破壞，釋放電池內部的壓力，防止電池發生爆炸。之前我們主要是從原理上了解防爆閥的設計，由于18650電池上蓋的結構設計讓我們很難直接看到在熱失控的過程中防爆閥動作過程。</p><p> 倫敦城市學院的Donal P. Finegan（第一作者）和Paul R.
展開 仿真模型 | 圓柱鋰電池表面自然對流換熱系數仿真估算
仿真模型
導語
據悉，為研究鋰離子電池熱特性機理，針對電池表面自然對流換熱系數展開研究，通過實驗得到了電池基本生熱參數并以此建立了單體鋰離子電池生熱模型，仿真分析了恒溫條件下不同放電電流的表面自然對流換熱系數。
鋰離子電池因其高比能量特性而被廣泛應用于電動乘用車輛，其使用壽命受到自放電率、溫度等因素的制約。
研究發現，鋰離子電池舒適溫度需要控制在20~35 ℃之間，溫度過高時，其不可逆反應加劇容易產生自放電、熱失控等安全事故；溫度過低，則會使其容量和功率發生明顯下降。
因此，為了改善電動汽車單電池及電池成組后的安全性能，需建立較精確熱仿真模型，以此來預測動力鋰離子電池內部溫度分布狀況及熱傳遞過程，從而精確分析出鋰離子電池熱失控因素。
01
導讀
目前，國內外均針對鋰離子電池熱模型和熱行為進行了相關研究。早期美國D.Bernardi等[1]通過研究電池溫度特性提出了電池生熱率模型，之后通過研究人員的不斷發展研究，鋰離子電池熱模型已經呈現多維度趨勢發展；
Chen等[2]通過研究電池三維分層電化學-熱耦合模型仿真驗證了單體電池和成組電池包溫度分布的真實性；Lopez等[3]通過熱濫用模型實驗驗證了圓柱電池熱響應能力比棱柱電池小；Chacko等[4]將電-熱模型應用到恒流勻速和變電流工況中，研究發現變電流對電池溫升影響較高。
本文在前人研究基礎上，突破傳統仿真中將對流換熱系數、電壓溫度系數設定為常數，通過變化的電壓溫度系數來估算對流換熱系數，以此來達到更高的溫度仿真精度。
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