材料穩定性對鋰電池熱失控影響

涂超

摘 要：為了提高鋰離子動力電池使用安全性，減少因電池熱失控引發的電動汽車安全事故。文章建立了鋰離子電池熱失控模型，仿真分析材料熱穩定性對熱失控影響分析。當正極材料和電解液的分解溫度較低時（170℃/200℃），不論傳熱系數為5W/m²/K還是10W/m²/K，電池均發生了熱失控現象。而正極材料和電解液的分解溫度較高時，均未出現熱失控的現象。

關鍵詞：電池;材料穩定性;熱失控

中圖分類號：TM912? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2019）04-13-02

CLC NO.： TM912? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2019）04-13-02

前言

電動汽車以動力電池為主要能量源，其發展和應用在很大程度上受動力電池性能影響^[1]。鋰離子電池研發至今，相比于其他類型動力電池具有良好的性能，應用越來越廣泛^[2，3]。但是鋰離子電池對溫度較為敏感，溫度過高時極易出現熱失控現象，引發安全事故。在外部高溫下，由于鋰離子電池結構的特性，SEI膜、電解液發生分解反應，電解液的分解物還會與正極、負極發生反應，電芯隔膜將融化分解，多種反應導致大量熱量的產生。隔膜融化導致內部短路，電能的釋放又增大了熱量的生產。這種互相增強的破壞作用，導致電芯防爆膜破裂，電解液噴出，發生燃燒起火。熱失控導致的安全事故無疑給人們的生命財產安全造成極大的打擊^[4]。因此，為避免鋰離子電池熱安全性問題，促進其在電動汽車上的廣泛使用和加快電動汽車的普及，對鋰離子電池熱失控進行研究顯得尤為重要。

1 鋰離子電池工作原理

鋰離子電池的工作過程實際上是Li+在電池的兩個電極中可逆地進行脫出和嵌入的的過程。Li+在正負極之間來回脫出和嵌入構成了電池的充電和放電過程。電池充電時，Li+首先從正極脫出，自由通過隔膜并經過電解液的輸運嵌入到負極。在此過程中，正極因Li+的不斷脫出處于貧鋰狀態，負極則因Li+的不斷嵌入處于富鋰狀態。充電容量隨負極嵌入鋰的增多而升高。由于兩個電極之間存在鋰濃度差，為使其保持電平衡，在充電過程中外電路向負極提供補償電子。電池放電時，Li+首先從負極脫出，在電解質輸送下到達隔膜并自由穿過，而后通過電解液的輸送嵌入到電池正極。

3 仿真結果與分析

本文在傳熱系數分別為5W/m²/K和10W/m²/K的條件下，針對正極材料和電解液不同熱穩定性的情況進行了仿真，具體如圖1所示。

圖1（a）和圖1（b）分別為爐溫為165℃、傳熱系數為5W/m²/K和10W/m²/K的條件下，正極/電解液的分解溫度分別為170℃/200℃以上和200℃/220℃時鋰離子電池熱失控的仿真結果。由圖可知，當正極材料和電解液的分解溫度較低時（170℃/200℃），不論傳熱系數為5W/m²/K還是10W/m²/K，電池均發生了熱失控現象。而正極材料和電解液的分解溫度較高時，在兩種傳熱系數下電池溫度上升趨勢緩慢，逐漸升高至外界溫度后保持不變，均未出現熱失控的現象。由此可以說明組成電池材料的熱穩定性越高，電池越不容易發生熱失控。

4 結論

本文針對電池熱失控，利用COMSOL軟件建立了NCM三元鋰電池三維熱濫用模型，針對正極材料和電解液不同熱穩定性的情況進行了仿真。通過仿真分析得出：當正極材料和電解液的分解溫度較低時（170℃/200℃），不論傳熱系數為5W/m²/K還是10W/m²/K，電池均發生了熱失控現象。而正極材料和電解液的分解溫度較高時，均未出現熱失控的現象。組成電池材料的熱穩定性越高，電池越不容易發生熱失控。

參考文獻

[1] 劉霏霏等.基于動態內熱源特性的車用鋰離子動力電池溫度場仿真及試驗[J].機械工程學報，2016， 52（08）： 141-151.

[2] Wen Y，Zhang W，Lu J. The establishment of safety indicator set of lithium-ion battery and its management system[C].Prognostics and System Health Management Conference. IEEE，2016： 1-7.

[3] 歐陽陳志，梁波.鋰離子動力電池熱安全性研究進展[J].電源技術， 2014，38（2）： 382-385.