鋰離子電池熱失控傳播研究進展

楊明國，金　鑫，李文斌

（1.海裝駐武漢七一二所軍事代表室，武漢 430 064；2.武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 43006 4）

鋰離子電池熱失控傳播研究進展

楊明國1，金鑫2，李文斌2

（1.海裝駐武漢七一二所軍事代表室，武漢 430 064；2.武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 43006 4）

綜述了國內外鋰離子電池熱失控傳播研究進展，總結概括了熱失控傳播的影響因素，同時提出了熱失控傳播阻斷思路，并對鋰離子電池熱失控傳播的進一步研究工作進行了展望。

鋰離子電池模塊熱失控傳播

0　引言

鋰離子電池具有高比能、高比功率及長壽命等卓越特性，已在諸多領域得到廣泛應用。然而，頻發的安全事故［1］使鋰離子電池的安全性問題受到了廣泛關注。從本質上講，鋰離子電池的安全性問題是熱問題。不恰當的使用方式或生產缺陷等原因［2］會導致鋰離子電池在使用、存儲過程中出現內部溫度升高現象。高溫會誘發電池材料發生一系列放熱反應，反應產生的熱量促使電池內部溫度進一步升高而加劇放熱反應速率。最終，放熱反應和高溫兩個方面相互影響，呈現一種失控狀態，即熱失控，從而引起鋰離子電池發生燃燒、爆炸等安全事故［3］。

一直以來，有關鋰離子電池熱失控的研究主要集中在單體級別熱失控的特性和影響方面［4，5］。隨著鋰離子電池技術逐漸向電動汽車、船舶等動力領域及新能源、智能微網等儲能領域拓展，為獲得更高的電壓、能量與功率，大量鋰離子電池串并聯成組使用成為趨勢。因而，電池模塊或電池組級別的熱失控問題研究就顯得十分必要和迫切。近兩年，波音787飛機輔助動力艙鋰離子電池模塊的冒煙起火事故和特斯拉Model S電動汽車的鋰離子電池組起火事故讓電池模塊或電池組的熱失控安全問題為焦點。值得注意的是，上述事故均是由于單體電池熱失控的傳播導致了整個電池系統的嚴重損壞。熱失控的傳播并不是偶然現象，由于鋰離子電池的熱穩定性較差且可燃性高，單只電池熱失控釋放的巨大熱量極可能導致熱失控在單體電池間的傳播，最終波及整個電池系統。要解決電池模塊或電池組的熱失控問題，就應該從熱失控的傳播規律研究入手，來指導電池模塊和電池組的安全設計。目前，有關熱失控在電池模塊或電池組內傳播的研究并不多見，本文根據近幾年的相關研究結果，概述了鋰離子電池熱失控傳播的研究進展。

1　熱失控傳播的模擬仿真研究

早期關于鋰離子電池熱失控在電池模塊或電池組內傳播特性的工作主要為計算機熱模擬仿真研究［6］。相關研究工作以小型鋰離子電池模塊為模擬仿真對象，通過加速絕熱熱量儀（Accelerating Rate Calorimetry，ARC）測量的鋰離子電池單體熱失控放熱數據為基礎建立電池單體的熱失控放熱模型，通過計算機軟件對電池模塊的熱量平衡偏微分方程求解，來計算熱失控過程中電池模塊內各電池單體的溫度分布，及溫度-時間曲線等數據，以此來模擬研究熱失控傳播過程。

Spotnitz RM等［6］以8只18650型圓柱電池組成的筆記本電池模塊為研究對象，計算了模塊中任意一只電池發生熱失控時，模塊內所有電池單體的溫度-時間曲線。通過這種方式，作者研究了熱失控電池發熱量及模塊與外界環境換熱系數等因素對熱失控傳播的影響。研究結果表明，單體電池熱失控時放熱量越大，且電池模塊向環境的散熱情況越差，越容易引發全模塊熱失控的連鎖反應。

Kizilel R等通過計算機熱模擬仿真，研究了20只18650型圓柱電池構成的5并4串電池模塊，在空氣冷卻和相變材料（Phase C hange Material，PCM）冷卻兩種冷卻方式下的溫升和溫度分布，以及熱失控在模塊內的傳播情況。研究結果表明，PCM冷卻方式不僅可以有效控制電池模塊的溫升，提升模塊內溫度分布的一致性，還能有效抑制熱失控在模塊內的傳播。當緊密排布的電池模塊內一只電池單體發生熱失控時，在空氣冷卻情況下，熱失控連鎖反應在1800 s內便傳播到整個電池模塊；當采用PCM冷卻時，PCM優良的導熱能力可以迅速吸收并帶走熱失控電池產生的熱量，抑制熱失控單體及周圍單體的溫升，從而阻止了熱失控在模塊間的傳播。

此外，Kizilel R等的研究工作還表明，在電池模塊中各單體間設置1 mm～2 m m的間隔距離，可以有效阻止熱量通過傳導方式在電池單體間傳遞，因而即使通過空氣冷卻也可以及時帶走熱失控單體產生的熱量，阻止熱失控在模塊內的傳播。計算結果顯示，在2 mm和1mm的間距下，熱失控電池單體只導致相鄰單體的溫度升高7和9.5℃。本研究還對電池單體間導電連接條的熱傳導作用對熱失控傳播的影響進行了研究，當考慮連接條熱傳導時，在空氣冷卻條件下，無論1 mm或2 m m的單體間隔距離時，熱失控均會在模塊內逐漸傳播；相比之下，PCM冷卻可以在1.5 min內有效吸收熱失控單體產生的熱量，成功阻止了熱失控的傳播。

計算機模擬仿真研究結果初步揭示了鋰離子電池熱失控的傳播規律：首先，熱失控單體在熱失控過程中所釋放大量熱量是導致熱失控傳播的根本原因［6］；其次，熱失控電池單體產生的熱量無法及時疏散，被相鄰電池吸收而引起的溫度升高是熱失控傳播的直接原因；最后，電池模塊或電池組對環境的散熱不足也是導致熱失控傳播的重要因素［6］。

2　熱失控傳播實驗研究

據筆者所知，2014年以前有關鋰離子電池熱失控傳播的實驗研究文獻非常有限。近兩年，隨著鋰離子電池熱失控在模塊或電池組內的傳播問題被廣泛關注，一些文獻開始報導小規模電池模塊的熱失控傳播特性研究。這些研究工作，通過針刺或加熱等誘發熱失控方法，模擬電池模塊使用過程中單只電池發生熱失控的情況，并通過對熱失控傳播過程中的溫度、電壓、影像等數據的記錄和分析來研究熱失控的傳播規律。

Feng XN等以由6只緊密排布的25Ah方形軟包裝的NCM三元材料體系的鋰離子電池組成的電池模塊作為研究對象，通過針刺的方法引發第一只單體發生熱失控，實驗過程中監測模塊內47個關鍵溫度點和各單體電壓，并通過傳熱分析手段，研究了熱失控的傳播特性。研究結果表明，熱失控在電池模塊間傳播過程中，被傳播電池的熱失控起始溫度約為65～116℃；熱失控在電池間傳播的時間間隔通常為2 min～4 min；熱失控電池的最高溫度高達764℃～930℃。在熱失控傳播過程中，各只電池的電壓變化呈“5階式”下降趨勢，且各電池熱失控的起始時間也總延遲于電池電壓開始快速下降對應的時間，這個時間差異對應于電池內部產生的熱量傳遞到電池表面所需要的時間。最后，本研究結果還表明，電池殼間的熱傳導是熱失控傳播過程中主要的熱量傳遞方式，電池殼間的傳導熱量是電池間導電連接條傳導熱量的10倍左右，而通過電池噴射火焰的傳熱量則可以忽略不計。

Lamb J等分別以10只2.2Ah18650型圓柱形和5只3.0 Ah方形軟包裝的鈷酸鋰體系鋰離子電池緊密排布構成的小型鋰離子電池模塊作為研究對象，通過針刺的方法引發一只單體發生熱失控，記錄熱失控傳播過程中的溫度和電壓數據，探討了電池結構及電池模塊的電連接結構等因素對熱失控傳播特性的影響。研究結果表明，串聯的圓柱型鋰離子電池構成的模塊雖然緊密排布，但由于圓柱形的幾何結構使得電池間的接觸面積較小，因而當單只電池熱失控時不會引發熱失控傳播；而同為串聯結構的方型軟包裝電池構成的電池模塊，由于電池間較大的接觸面積導致熱量容易在電池間傳遞，因而熱失控更容易在模塊間傳播，這從側面佐證了文獻［8］的結論，即通過電池殼體的熱傳遞是熱失控傳播的主要傳熱方式。此外，作者還發現并聯的電池模塊相比串聯電池模塊更容易發生熱失控連鎖反應。

Feng XN和Lamb J等主要研究了敞開體系下（模塊未被完全包裹，易于與環境熱交換），緊密排布的電池模塊熱失控傳播特性。然而，真實的電池模塊通常處于被外殼封裝的密閉環境中，并且電池與電池間都會留有一定的散熱空間。針對上述情況，胡棋威以2-3只1.5Ah、2.2Ah和6Ah的圓柱形NCM三元材料體系的鋰離子電池組成的小模塊為對象，通過電阻絲加熱方式誘發一只單體發生熱失控，研究了密閉環境中，間隔排列情況下熱失控的傳播特性。雖然Feng XN和Lamb J的研究結果表明熱失控傳播過程的主要傳熱方式是通過電池殼的熱傳導，但本研究發現熱失控同樣可以在不接觸的電池單體（間隔排列并無導電帶連接）間傳播。作者認為，這可能是由于第一只熱失控單體所噴射出的高溫火焰及電芯物質對相鄰電池的熱影響所致。

胡棋威的研究還發現，相比敞開環境，封閉的環境更容易導致熱失控在模塊間傳播。封閉環境下，發生熱失控傳播的實驗中，組成電池模塊的單體容量越大被轉播熱失控電池的熱失控起始溫度越低（2.2 A h電池為200℃，6 A h電池為150℃），被傳播熱失控電池所達到的最高溫度越高（2.2 Ah電池為520℃，6Ah電池為580℃），熱失控傳播的最大間隔距離也越大（2.2Ah電池為5 mm，6Ah電池為20 mm），這表明大容量電池組成的電池模塊在發生熱失控時放出的熱量更高，更容易誘發熱失控的傳播。研究結果還顯示，隨著單體間隔距離的增加，熱失控在模塊內的傳播得到了有效抑制。上述的實驗研究結果很好的映證了文獻［6］中的模擬仿真研究的結果。

熱失控傳播實驗研究，一方面證實了早期計算機模擬仿真手段所獲得的熱失控傳播研究結果；另一方面也發現了與仿真模擬研究不同的結論。例如，模擬仿真研究中被傳播電池的最高溫度通常只有300℃左右，而實驗研究中則可達到500℃以上，甚至可以達到900℃。此外，實驗研究中，被傳播電池的熱失控溫度曲線中存在一個明顯的溫度拐點（即為熱失控的起始點），熱失控發生后電池的溫度升高非常劇烈（斜率接近垂直）；而模擬仿真結果中，對應的溫度曲線的溫度拐點不十分明顯，而且熱失控后的電池溫升也相對緩和一些。這些差別可能是由于熱失控模擬仿真研究通常只考慮熱量傳遞，而忽略了電池熱失控過程中從電池內部所噴射出的高溫物質及熱失控電池爆炸、燃燒的影響。不僅如此，熱失控實驗研究還揭示了更多更為細節的熱失控傳播規律，詳見鋰離子電池熱失控傳播影響因素匯總表（表1）。

3　熱失控傳播影響因素及傳播阻斷思路

鋰離子電池熱失控傳播研究尚處于起步階段，相關的研究工作結果雖然還不具有統計學意義，但是認真分析、總結這些寶貴的資料，可以初步得出鋰離子電池模塊或電池組內熱失控傳播的影響因素，詳見表1。

表1羅列了多種影響熱失控傳播的因素，從中可以尋求到阻斷熱失控傳播的方法。但是，諸如電池單體容量和結構形式、電池模塊或電池組的連接形式以及電池單體間距等問題在電池模塊或電池組設計時會受到許多實際情況的制約，很難一概而論。因而，筆者認為盡量減少熱失控電池對周邊電池的熱影響，并快速帶走熱失控單體產生的熱量，是解決熱失控傳播問題的通用對策。當然，上述熱失控傳播阻斷對策也得到了有關研究文獻和專利文獻的支撐，概括如下。

通過減少熱失控對周邊電池熱影響來阻止熱失控的傳播：胡棋威采用隔熱材料阻隔和對熱失控電池噴射物質疏導的方式，減少了熱失控電池對周邊電池的熱影響，取得了很好的熱失控傳播阻斷效果；Mehta HV等 在電池單體表面涂覆可膨脹材料，當電池熱失控時，通過該涂覆材料的吸熱膨脹來降低熱量和噴射物質對周圍單體的影響，從而抑制熱失控的傳播；Hermanm AW等 通過在電池模塊內設置隔熱材料，將電池模塊分成若干“小組”，來阻止熱失控對其他“小組”的影響。

表1　鋰離子電池熱失控傳播影響因素匯總表

通過快速帶走熱失控單體產生的熱量來阻止熱失控傳播：胡棋威和Bandhauer MT等分別采用向熱失控電池模塊噴淋低溫液氮和高壓制冷劑的方式快速吸收并帶走熱失控電池放出的熱量，迅速冷卻電池，同時抑制熱失控電池的燃燒，達到阻止熱失控傳播的目的。

4　結語

動力和儲能領域，為獲得更高的電壓、能量與功率，大量鋰離子電池需要通過串并聯成組使用。然而，由于鋰離子電池的特殊性質，電池模塊或電池組內單只電池熱失控所釋放的熱量，可能會引起周邊電池的熱失控，進而導致整個電池模塊或電池組的熱失控傳播，造成嚴重危害。所以，開展鋰離子電池熱失控的傳播規律的研究，進而指導電池組或電池模塊的安全設計就顯得十分必要。

隨著對鋰離子電池熱失控傳播問題的關注，相關的研究工作已陸續開展。然而，要深刻理解熱失控傳播規律和解決熱失控的傳播問題，還需要盡快開展更廣泛和深入的研究工作。例如，電池單體容量、化學體系等因素對熱失控傳播特性的影響還需要系統研究；不同熱失控誘發方式的影響也還要進一步探討；熱失控傳播的仿真模型也應該進一步優化、細化；最重要的是，熱失控傳播阻斷技術和消防滅火技術的研究、驗證工作急需盡快開展。

［1］ 劉春娜. 鋰離子電池安全問題期待解決［J］. 電源技術，2011，35（7）： 759-761.

［2］ 張傳喜. 鋰離子動力電池安全性研究［J］. 船電技術，2009，29（4）： 50-53.

［3］ Wang Qings ong，Pin g P ing，Zhao Xu ejuan，et al. Thermal runaway caused fire and explosion of lithium ion battery ［J］. Journal of Power Sources，2012 ，208：210-224.

［4］ Fu Yangyang，L u Song，L i Kaiyuan，et al. An experimental stud y on bur ning b ehaviors of 18650 lithium ion ba tteries usi ng a cone ca lorimeter ［J］. Journal of Power Sources，2015，273： 216-222.

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［6］ Spotnitz M. R obert，Weaver James，Yeduvaka Gowri，et al. Simulation of abuse to lerance of li thium-ion battery packs ［J］. Jo urnal ofPower So urces，20 07，163： 1080-1086.

Review on Thermal Runaway Propagation of Lithium-ion Battery Packs

Yang Mingguo1，Jin Xin2，Li Wenbin2
（1. Naval Representatives Office in 712 Research Institute，Wuhan 430064，China； 2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion，Wuhan 430064，China）

Research progress on thermal runaway propagation of lithium-ion battery packs is reviewed. The factors affecting thermal runaway propagation were summarized. Meanwhile, the idea for thermal runaway propagation blocking of lithium-ion battery packs or modules is proposed. Further studies in this area are also expected.

lithium ion battery; pack; thermal runaway; propagation

TM911

A

1003-4862（2015）09-0048-04

2015-07-13

楊明國（1966-），男，高級工程師。研究方向：電池。