锂离子电池热失控传播研究进展

杨明国，金　鑫，李文斌

（1.海装驻武汉七一二所军事代表室，武汉 430 064；2.武汉船用电力推进装置研究所，武汉 43006 4）

锂离子电池热失控传播研究进展

杨明国1，金鑫2，李文斌2

（1.海装驻武汉七一二所军事代表室，武汉 430 064；2.武汉船用电力推进装置研究所，武汉 43006 4）

综述了国内外锂离子电池热失控传播研究进展，总结概括了热失控传播的影响因素，同时提出了热失控传播阻断思路，并对锂离子电池热失控传播的进一步研究工作进行了展望。

锂离子电池模块热失控传播

0　引言

锂离子电池具有高比能、高比功率及长寿命等卓越特性，已在诸多领域得到广泛应用。然而，频发的安全事故［1］使锂离子电池的安全性问题受到了广泛关注。从本质上讲，锂离子电池的安全性问题是热问题。不恰当的使用方式或生产缺陷等原因［2］会导致锂离子电池在使用、存储过程中出现内部温度升高现象。高温会诱发电池材料发生一系列放热反应，反应产生的热量促使电池内部温度进一步升高而加剧放热反应速率。最终，放热反应和高温两个方面相互影响，呈现一种失控状态，即热失控，从而引起锂离子电池发生燃烧、爆炸等安全事故［3］。

一直以来，有关锂离子电池热失控的研究主要集中在单体级别热失控的特性和影响方面［4，5］。随着锂离子电池技术逐渐向电动汽车、船舶等动力领域及新能源、智能微网等储能领域拓展，为获得更高的电压、能量与功率，大量锂离子电池串并联成组使用成为趋势。因而，电池模块或电池组级别的热失控问题研究就显得十分必要和迫切。近两年，波音787飞机辅助动力舱锂离子电池模块的冒烟起火事故和特斯拉Model S电动汽车的锂离子电池组起火事故让电池模块或电池组的热失控安全问题为焦点。值得注意的是，上述事故均是由于单体电池热失控的传播导致了整个电池系统的严重损坏。热失控的传播并不是偶然现象，由于锂离子电池的热稳定性较差且可燃性高，单只电池热失控释放的巨大热量极可能导致热失控在单体电池间的传播，最终波及整个电池系统。要解决电池模块或电池组的热失控问题，就应该从热失控的传播规律研究入手，来指导电池模块和电池组的安全设计。目前，有关热失控在电池模块或电池组内传播的研究并不多见，本文根据近几年的相关研究结果，概述了锂离子电池热失控传播的研究进展。

1　热失控传播的模拟仿真研究

早期关于锂离子电池热失控在电池模块或电池组内传播特性的工作主要为计算机热模拟仿真研究［6］。相关研究工作以小型锂离子电池模块为模拟仿真对象，通过加速绝热热量仪（Accelerating Rate Calorimetry，ARC）测量的锂离子电池单体热失控放热数据为基础建立电池单体的热失控放热模型，通过计算机软件对电池模块的热量平衡偏微分方程求解，来计算热失控过程中电池模块内各电池单体的温度分布，及温度-时间曲线等数据，以此来模拟研究热失控传播过程。

Spotnitz RM等［6］以8只18650型圆柱电池组成的笔记本电池模块为研究对象，计算了模块中任意一只电池发生热失控时，模块内所有电池单体的温度-时间曲线。通过这种方式，作者研究了热失控电池发热量及模块与外界环境换热系数等因素对热失控传播的影响。研究结果表明，单体电池热失控时放热量越大，且电池模块向环境的散热情况越差，越容易引发全模块热失控的连锁反应。

Kizilel R等通过计算机热模拟仿真，研究了20只18650型圆柱电池构成的5并4串电池模块，在空气冷却和相变材料（Phase C hange Material，PCM）冷却两种冷却方式下的温升和温度分布，以及热失控在模块内的传播情况。研究结果表明，PCM冷却方式不仅可以有效控制电池模块的温升，提升模块内温度分布的一致性，还能有效抑制热失控在模块内的传播。当紧密排布的电池模块内一只电池单体发生热失控时，在空气冷却情况下，热失控连锁反应在1800 s内便传播到整个电池模块；当采用PCM冷却时，PCM优良的导热能力可以迅速吸收并带走热失控电池产生的热量，抑制热失控单体及周围单体的温升，从而阻止了热失控在模块间的传播。

此外，Kizilel R等的研究工作还表明，在电池模块中各单体间设置1 mm～2 m m的间隔距离，可以有效阻止热量通过传导方式在电池单体间传递，因而即使通过空气冷却也可以及时带走热失控单体产生的热量，阻止热失控在模块内的传播。计算结果显示，在2 mm和1mm的间距下，热失控电池单体只导致相邻单体的温度升高7和9.5℃。本研究还对电池单体间导电连接条的热传导作用对热失控传播的影响进行了研究，当考虑连接条热传导时，在空气冷却条件下，无论1 mm或2 m m的单体间隔距离时，热失控均会在模块内逐渐传播；相比之下，PCM冷却可以在1.5 min内有效吸收热失控单体产生的热量，成功阻止了热失控的传播。

计算机模拟仿真研究结果初步揭示了锂离子电池热失控的传播规律：首先，热失控单体在热失控过程中所释放大量热量是导致热失控传播的根本原因［6］；其次，热失控电池单体产生的热量无法及时疏散，被相邻电池吸收而引起的温度升高是热失控传播的直接原因；最后，电池模块或电池组对环境的散热不足也是导致热失控传播的重要因素［6］。

2　热失控传播实验研究

据笔者所知，2014年以前有关锂离子电池热失控传播的实验研究文献非常有限。近两年，随着锂离子电池热失控在模块或电池组内的传播问题被广泛关注，一些文献开始报导小规模电池模块的热失控传播特性研究。这些研究工作，通过针刺或加热等诱发热失控方法，模拟电池模块使用过程中单只电池发生热失控的情况，并通过对热失控传播过程中的温度、电压、影像等数据的记录和分析来研究热失控的传播规律。

Feng XN等以由6只紧密排布的25Ah方形软包装的NCM三元材料体系的锂离子电池组成的电池模块作为研究对象，通过针刺的方法引发第一只单体发生热失控，实验过程中监测模块内47个关键温度点和各单体电压，并通过传热分析手段，研究了热失控的传播特性。研究结果表明，热失控在电池模块间传播过程中，被传播电池的热失控起始温度约为65～116℃；热失控在电池间传播的时间间隔通常为2 min～4 min；热失控电池的最高温度高达764℃～930℃。在热失控传播过程中，各只电池的电压变化呈“5阶式”下降趋势，且各电池热失控的起始时间也总延迟于电池电压开始快速下降对应的时间，这个时间差异对应于电池内部产生的热量传递到电池表面所需要的时间。最后，本研究结果还表明，电池壳间的热传导是热失控传播过程中主要的热量传递方式，电池壳间的传导热量是电池间导电连接条传导热量的10倍左右，而通过电池喷射火焰的传热量则可以忽略不计。

Lamb J等分别以10只2.2Ah18650型圆柱形和5只3.0 Ah方形软包装的钴酸锂体系锂离子电池紧密排布构成的小型锂离子电池模块作为研究对象，通过针刺的方法引发一只单体发生热失控，记录热失控传播过程中的温度和电压数据，探讨了电池结构及电池模块的电连接结构等因素对热失控传播特性的影响。研究结果表明，串联的圆柱型锂离子电池构成的模块虽然紧密排布，但由于圆柱形的几何结构使得电池间的接触面积较小，因而当单只电池热失控时不会引发热失控传播；而同为串联结构的方型软包装电池构成的电池模块，由于电池间较大的接触面积导致热量容易在电池间传递，因而热失控更容易在模块间传播，这从侧面佐证了文献［8］的结论，即通过电池壳体的热传递是热失控传播的主要传热方式。此外，作者还发现并联的电池模块相比串联电池模块更容易发生热失控连锁反应。

Feng XN和Lamb J等主要研究了敞开体系下（模块未被完全包裹，易于与环境热交换），紧密排布的电池模块热失控传播特性。然而，真实的电池模块通常处于被外壳封装的密闭环境中，并且电池与电池间都会留有一定的散热空间。针对上述情况，胡棋威以2-3只1.5Ah、2.2Ah和6Ah的圆柱形NCM三元材料体系的锂离子电池组成的小模块为对象，通过电阻丝加热方式诱发一只单体发生热失控，研究了密闭环境中，间隔排列情况下热失控的传播特性。虽然Feng XN和Lamb J的研究结果表明热失控传播过程的主要传热方式是通过电池壳的热传导，但本研究发现热失控同样可以在不接触的电池单体（间隔排列并无导电带连接）间传播。作者认为，这可能是由于第一只热失控单体所喷射出的高温火焰及电芯物质对相邻电池的热影响所致。

胡棋威的研究还发现，相比敞开环境，封闭的环境更容易导致热失控在模块间传播。封闭环境下，发生热失控传播的实验中，组成电池模块的单体容量越大被转播热失控电池的热失控起始温度越低（2.2 A h电池为200℃，6 A h电池为150℃），被传播热失控电池所达到的最高温度越高（2.2 Ah电池为520℃，6Ah电池为580℃），热失控传播的最大间隔距离也越大（2.2Ah电池为5 mm，6Ah电池为20 mm），这表明大容量电池组成的电池模块在发生热失控时放出的热量更高，更容易诱发热失控的传播。研究结果还显示，随着单体间隔距离的增加，热失控在模块内的传播得到了有效抑制。上述的实验研究结果很好的映证了文献［6］中的模拟仿真研究的结果。

热失控传播实验研究，一方面证实了早期计算机模拟仿真手段所获得的热失控传播研究结果；另一方面也发现了与仿真模拟研究不同的结论。例如，模拟仿真研究中被传播电池的最高温度通常只有300℃左右，而实验研究中则可达到500℃以上，甚至可以达到900℃。此外，实验研究中，被传播电池的热失控温度曲线中存在一个明显的温度拐点（即为热失控的起始点），热失控发生后电池的温度升高非常剧烈（斜率接近垂直）；而模拟仿真结果中，对应的温度曲线的温度拐点不十分明显，而且热失控后的电池温升也相对缓和一些。这些差别可能是由于热失控模拟仿真研究通常只考虑热量传递，而忽略了电池热失控过程中从电池内部所喷射出的高温物质及热失控电池爆炸、燃烧的影响。不仅如此，热失控实验研究还揭示了更多更为细节的热失控传播规律，详见锂离子电池热失控传播影响因素汇总表（表1）。

3　热失控传播影响因素及传播阻断思路

锂离子电池热失控传播研究尚处于起步阶段，相关的研究工作结果虽然还不具有统计学意义，但是认真分析、总结这些宝贵的资料，可以初步得出锂离子电池模块或电池组内热失控传播的影响因素，详见表1。

表1罗列了多种影响热失控传播的因素，从中可以寻求到阻断热失控传播的方法。但是，诸如电池单体容量和结构形式、电池模块或电池组的连接形式以及电池单体间距等问题在电池模块或电池组设计时会受到许多实际情况的制约，很难一概而论。因而，笔者认为尽量减少热失控电池对周边电池的热影响，并快速带走热失控单体产生的热量，是解决热失控传播问题的通用对策。当然，上述热失控传播阻断对策也得到了有关研究文献和专利文献的支撑，概括如下。

通过减少热失控对周边电池热影响来阻止热失控的传播：胡棋威采用隔热材料阻隔和对热失控电池喷射物质疏导的方式，减少了热失控电池对周边电池的热影响，取得了很好的热失控传播阻断效果；Mehta HV等 在电池单体表面涂覆可膨胀材料，当电池热失控时，通过该涂覆材料的吸热膨胀来降低热量和喷射物质对周围单体的影响，从而抑制热失控的传播；Hermanm AW等 通过在电池模块内设置隔热材料，将电池模块分成若干“小组”，来阻止热失控对其他“小组”的影响。

表1　锂离子电池热失控传播影响因素汇总表

通过快速带走热失控单体产生的热量来阻止热失控传播：胡棋威和Bandhauer MT等分别采用向热失控电池模块喷淋低温液氮和高压制冷剂的方式快速吸收并带走热失控电池放出的热量，迅速冷却电池，同时抑制热失控电池的燃烧，达到阻止热失控传播的目的。

4　结语

动力和储能领域，为获得更高的电压、能量与功率，大量锂离子电池需要通过串并联成组使用。然而，由于锂离子电池的特殊性质，电池模块或电池组内单只电池热失控所释放的热量，可能会引起周边电池的热失控，进而导致整个电池模块或电池组的热失控传播，造成严重危害。所以，开展锂离子电池热失控的传播规律的研究，进而指导电池组或电池模块的安全设计就显得十分必要。

随着对锂离子电池热失控传播问题的关注，相关的研究工作已陆续开展。然而，要深刻理解热失控传播规律和解决热失控的传播问题，还需要尽快开展更广泛和深入的研究工作。例如，电池单体容量、化学体系等因素对热失控传播特性的影响还需要系统研究；不同热失控诱发方式的影响也还要进一步探讨；热失控传播的仿真模型也应该进一步优化、细化；最重要的是，热失控传播阻断技术和消防灭火技术的研究、验证工作急需尽快开展。

［1］ 刘春娜. 锂离子电池安全问题期待解决［J］. 电源技术，2011，35（7）： 759-761.

［2］ 张传喜. 锂离子动力电池安全性研究［J］. 船电技术，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.

［5］ Feng Xun ing，S un Jing，Ou yang M inggao，et al. Characterization of la rge fo rmat lithium ion batter y exposed to extremely high temperature ［J］. Journal of Power Sources，2014，272： 457-467.

［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

杨明国（1966-），男，高级工程师。研究方向：电池。