材料稳定性对锂电池热失控影响

涂超

摘 要：为了提高锂离子动力电池使用安全性，减少因电池热失控引发的电动汽车安全事故。文章建立了锂离子电池热失控模型，仿真分析材料热稳定性对热失控影响分析。当正极材料和电解液的分解温度较低时（170℃/200℃），不论传热系数为5W/m²/K还是10W/m²/K，电池均发生了热失控现象。而正极材料和电解液的分解温度较高时，均未出现热失控的现象。

关键词：电池;材料稳定性;热失控

中图分类号：TM912  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2019）04-13-02

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

前言

电动汽车以动力电池为主要能量源，其发展和应用在很大程度上受动力电池性能影响^[1]。锂离子电池研发至今，相比于其他类型动力电池具有良好的性能，应用越来越广泛^[2，3]。但是锂离子电池对温度较为敏感，温度过高时极易出现热失控现象，引发安全事故。在外部高温下，由于锂离子电池结构的特性，SEI膜、电解液发生分解反应，电解液的分解物还会与正极、负极发生反应，电芯隔膜将融化分解，多种反应导致大量热量的产生。隔膜融化导致内部短路，电能的释放又增大了热量的生产。这种互相增强的破坏作用，导致电芯防爆膜破裂，电解液喷出，发生燃烧起火。热失控导致的安全事故无疑给人们的生命财产安全造成极大的打击^[4]。因此，为避免锂离子电池热安全性问题，促进其在电动汽车上的广泛使用和加快电动汽车的普及，对锂离子电池热失控进行研究显得尤为重要。

1 锂离子电池工作原理

锂离子电池的工作过程实际上是Li+在电池的两个电极中可逆地进行脱出和嵌入的的过程。Li+在正负极之间来回脱出和嵌入构成了电池的充电和放电过程。电池充电时，Li+首先从正极脱出，自由通过隔膜并经过电解液的输运嵌入到负极。在此过程中，正极因Li+的不断脱出处于贫锂状态，负极则因Li+的不断嵌入处于富锂状态。充电容量随负极嵌入锂的增多而升高。由于两个电极之间存在锂浓度差，为使其保持电平衡，在充电过程中外电路向负极提供补偿电子。电池放电时，Li+首先从负极脱出，在电解质输送下到达隔膜并自由穿过，而后通过电解液的输送嵌入到电池正极。

3 仿真结果与分析

本文在传热系数分别为5W/m²/K和10W/m²/K的条件下，针对正极材料和电解液不同热稳定性的情况进行了仿真，具体如图1所示。

图1（a）和图1（b）分别为炉温为165℃、传热系数为5W/m²/K和10W/m²/K的条件下，正极/电解液的分解温度分别为170℃/200℃以上和200℃/220℃时锂离子电池热失控的仿真结果。由图可知，当正极材料和电解液的分解温度较低时（170℃/200℃），不论传热系数为5W/m²/K还是10W/m²/K，电池均发生了热失控现象。而正极材料和电解液的分解温度较高时，在两种传热系数下电池温度上升趋势缓慢，逐渐升高至外界温度后保持不变，均未出现热失控的现象。由此可以说明组成电池材料的热稳定性越高，电池越不容易发生热失控。

4 结论

本文针对电池热失控，利用COMSOL软件建立了NCM三元锂电池三维热滥用模型，针对正极材料和电解液不同热稳定性的情况进行了仿真。通过仿真分析得出：当正极材料和电解液的分解溫度较低时（170℃/200℃），不论传热系数为5W/m²/K还是10W/m²/K，电池均发生了热失控现象。而正极材料和电解液的分解温度较高时，均未出现热失控的现象。组成电池材料的热稳定性越高，电池越不容易发生热失控。

参考文献

[1] 刘霏霏等.基于动态内热源特性的车用锂离子动力电池温度场仿真及试验[J].机械工程学报，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] 欧阳陈志，梁波.锂离子动力电池热安全性研究进展[J].电源技术， 2014，38（2）： 382-385.