不同荷電狀態(tài)下鋰電池熱安全邊界

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研究背景

熱失控問題是阻礙鋰電池大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵問題。并且隨著電芯能量密度的不斷提升，鋰電池?zé)岱€(wěn)定性變差而電芯熱失控總產(chǎn)熱量將會增加，這將會導(dǎo)致鋰電池在整個荷電狀態(tài)（State of Charge, SOC）下均有可能發(fā)生熱失控蔓延。因此，從電芯和模組層面了解不同荷電狀態(tài)下鋰電池的熱安全行為對于鋰電池模組的熱安全設(shè)計(jì)具有重要意義。

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研究成果

要點(diǎn)1：基于不同荷電狀態(tài)下單體絕熱熱失控測試以及模組熱蔓延測試結(jié)果，提出了電量安全邊界的概念，并在電量安全邊界的指導(dǎo)下研究了電芯單體和模組的熱安全邊界對應(yīng)關(guān)系。

圖1 不同SOC下NCM523電池的熱失控行為。(a)不同SOC下電池溫度和溫升速率演變情況。(b)不同SOC下鋰電池?zé)崾Э夭煌A段：熱穩(wěn)定階段，熱誘發(fā)階段以及熱爆發(fā)階段。(c)不同SOC下鋰電池?zé)崾Э乜偖a(chǎn)熱量。(d)不同SOC下電芯和模組的電量安全邊界對應(yīng)關(guān)系。

要點(diǎn)2：通過將不同SOC下絕熱熱失控測試獲取熱失控觸發(fā)溫度T2與熱蔓延測試過程中電芯外表面熱失控觸發(fā)溫度Tonset,f對比，發(fā)現(xiàn)Tonset,f比T2高大約90-300 ℃。通過分析測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)除了受到SOC影響外，Tonset,f的大小還受到熱源溫度和加熱時間的影響。Tonset,f的大小會受到測試邊界條件的影響，因此不建議使用熱失控觸發(fā)溫度T2作為為熱失控蔓延是否發(fā)生的評價指標(biāo)。

圖2 不同SOC下Tonset,f與T2之間的溫度差異

要點(diǎn)三：在不同SOC下三維熱失控蔓延模型的幫助下，文章定量分析了不同SOC下NCM523模組的熱安全邊界，并發(fā)現(xiàn)峰值傳熱功率可以作為熱失控發(fā)生與否的評價指標(biāo)。在100% SOC, 80% SOC和60% SOC下，電芯間不發(fā)生熱蔓延的峰值傳熱功率邊界分別為299.2, 356.7和443.2 W。在大量仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上，從峰值傳熱功率，荷電狀態(tài)，熱失控觸發(fā)溫度和全循環(huán)壽命的角度下得到了NCM523模組在整個SOC范圍內(nèi)的熱安全邊界，該結(jié)果可用于指導(dǎo)定量選取全SOC區(qū)間范圍內(nèi)模組的熱蔓延抑制策略。

圖3 不同角度下NCM523模組熱安全邊界。(a) 不同SOC和峰值傳熱功率下NCM523模組熱安全邊界。(b)不同SOC，峰值傳熱功率和熱失控總產(chǎn)熱量下NCM523模組熱安全邊界。(c)不同熱失控觸發(fā)溫度和SOC下NCM523模組熱安全邊界。

要點(diǎn)四：發(fā)現(xiàn)了三種不同的熱失控蔓延傳遞方式，并從峰值傳熱功率的角度獲取了全SOC范圍內(nèi)三種熱蔓延傳遞方式的內(nèi)在聯(lián)系。以100%SOC為例，當(dāng)電芯間峰值傳熱功率高于395.9 W時，熱蔓延傳遞方式為直接觸發(fā)式熱蔓延，在此種情況下由上一節(jié)電芯釋放的熱量可直接觸發(fā)下一節(jié)電芯發(fā)生熱失控；當(dāng)電芯間峰值傳熱功率在395.9 W和351.2 W之間時，熱蔓延傳遞方式為自誘發(fā)模式。在此種情況下，上一節(jié)電芯釋放的熱量不足以直接觸發(fā)下一節(jié)電芯發(fā)生熱失控，但是此時電芯迎熱面溫度高于電芯自產(chǎn)熱起始溫度T1，且電芯內(nèi)部產(chǎn)熱速率高于散熱速率，電芯在上節(jié)電芯傳熱和自身自放熱反應(yīng)的共同作用下觸發(fā)熱失控。由于在發(fā)生熱失控之前消耗了一部分能量，自誘發(fā)模式下電芯熱失控危害等級較小。當(dāng)電芯間峰值傳熱功率低于351.2 W時，熱蔓延傳遞方式為自熄滅式。在此種情況下，由上一節(jié)電芯傳遞的能量以及電芯自身產(chǎn)熱釋放的能量不足以誘發(fā)電芯發(fā)生熱失控。

圖4 熱蔓延傳遞過程中典型的三種傳遞狀態(tài)。(a)直接觸發(fā)式熱蔓延。(b)自誘發(fā)式熱蔓延。(c)自熄滅式熱蔓延

圖5 三種不同的熱失控蔓延模式以及熱失控蔓延模式間對應(yīng)的峰值傳熱功率邊界。(a-c) 100% SOC, 80% SOC和60% SOC下不同峰值傳熱功率對應(yīng)的歸一化濃度演變情況。(d) 不同熱失控蔓延模式對應(yīng)的峰值傳熱功率邊界

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研究結(jié)論

本研究聚焦于不同SOC下電芯和模組層面的熱安全邊界。文章主要結(jié)論如下：

1. 使用加速絕熱量熱儀探究了全SOC范圍內(nèi)電芯的熱安全特征行為，發(fā)現(xiàn)在40% SOC以下，降低電芯的SOC能夠顯著降低電芯的熱失控危害等級。因此，認(rèn)為40% SOC是NCM523電芯的電量安全邊界。

2. 比較了不同SOC下單體熱失控觸發(fā)溫度T2和模組迎熱面溫度突變點(diǎn)Tonset,f。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模型仿真結(jié)果顯示，相比于熱失控觸發(fā)溫度T2，峰值傳熱功率更適合作為熱蔓延評價指標(biāo)。

3. 在電芯層面安全電量邊界的指導(dǎo)下，進(jìn)行了40% SOC以上的模組熱失控蔓延測試。通過構(gòu)建的不同SOC下鋰電池三維熱失控蔓延模型定量分析了不同SOC下模組的熱安全邊界。首次研究電芯層級和模組層級的熱安全邊界對應(yīng)關(guān)系，在100% SOC, 80% SOC和60%SOC下，模組的熱安全邊界分別為299.2 W, 356.7 W和443.2 W。

4. 基于大量仿真結(jié)果，從峰值傳熱功率，SOC，熱失控觸發(fā)溫度T2以及全生命周期角度獲取了NCM523模組的安全電量邊界。當(dāng)上述指標(biāo)處于安全區(qū)域時，即可實(shí)現(xiàn)熱失控蔓延抑制。

5. 基于熱安全邊界，提出了三種不同的熱失控蔓延傳遞方式。并通過仿真得出了三種熱蔓延傳遞方式的數(shù)值邊界。在100% SOC, 80% SOC和60% SOC下，直接觸發(fā)式熱蔓延和自誘發(fā)式熱蔓延的峰值傳熱功率邊界分別為395.9, 397.3和485.5 W；自誘發(fā)式和自熄滅式熱蔓延的峰值傳熱功率邊界分別為351.2, 356.7和443.2 W。該結(jié)論可以幫助定量選取熱失控抑制策略。

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文章信息

本研究由同濟(jì)大學(xué)，上海理工大學(xué)和清華大學(xué)合作完成，研究得到國家自然科學(xué)基金（NSFC, grant no.U20A20310 and No.52176199），上海市學(xué)術(shù)/技術(shù)帶頭人（22XD1423800）的支持。團(tuán)隊(duì)吳航博士為本文第一作者，清華大學(xué)馮旭寧副教授和同濟(jì)大學(xué)戴海峰教授為共同通訊作者。



審核編輯：劉清