新能源汽车锂离子电池热失控研究

摘要：锂离子电池作为新能源汽车的重要动力源，因其能量密度较高、循环寿命长的特点而被广泛应用，然而频繁的电池起火与热失控问题制约了电动汽车的发展，为解决锂电池热失控问题，研究电池热失控机理，对锂电池热失控的概念及机理、影响因素进行分析；阐述了热失控过程中的化学反应、热量传递机制，并通过实验和理论分析，提出了单体电池、锂电池内短路及过充状态下热失控相应的预防和控制策略；建立了数学模型计算电池温度以防热失控发生，为提高锂电池的安全性提供了理论支持和实践指导。

关键词：锂电池;热失控；热防护；安全预警；控制策略

中图分类号：TQ150文献标志码：A文章编号：1001-5922（2025）01-0134-04

Research on thermal runaway of lithium-ion batteries for new energy vehicles

JIA Bingshuo，XU Jiyang，MENG Ni，XIAO Ru

（Shaanxi Polytechnic Institute，Xianyang 712000，Shaanxi China）

Abstract：Lithium batteries，as an important power source for new energy vehicles，are widely used due to their high energy density and long cycle life.However，frequent battery fires and thermal runaway problems have hindered the development of electric vehicles.In order to solve the problem of thermal runaway of lithium battery，the mechanism of thermal runaway of lithium battery was studied，and the concept，mechanism and influencing factors of thermal runaway of lithium battery were analyzed.The chemical reactions and heat transfer mechanisms in the process of thermal runaway were elaborated，and through experiments and theoretical analysis，corresponding prevention and control strategies for thermal runaway in single cell and lithium battery internal short circuits and overcharging states were proposed.A mathematical model was established to calculate the battery temperature to prevent thermal runaway，providing theoretical support and practical guidance for improving the safety of lithium batteries.

Key words：lithium batteries；thermal runaway；thermal protection；safety warning；control strategy.

锂离子电池作为新能源汽车的重要动力源，能量密度较高、循环寿命长，能为其提供可靠续航保障[1]。所以无论是缓解能源压力，还是改善环境质量，新能源汽车与锂离子电池都有着不可或缺的必要性。

然而，锂离子电池在遭遇一些常见热失控诱因：例如高温、外部碰撞、穿刺、过充过放以及内短路等问题，会使得电池内部温度急剧上升进而引起电池冒烟、起火甚至爆炸等问题，给人民财产和生命带来了极大的威胁。因此，深入了解并研究锂电池热失控的机理并提出较为有效的预防和控制措施，能够为锂电池的安全使用提供有力保障。

1锂电池热失控机理分析

1.1锂电池结构与工作原理

锂离子电池内部主要由正负电极、电解质及隔膜组成。磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂、三元材料等为常见的锂电池正极材料；负极在电池工作过程中肩负着电子和锂离子搬运的使命，通常是由类似石墨结构的碳组成[2]；电解质是一种化学性能稳定、导电性极佳的有机溶液，它给正负极之间的锂离子移动提供了环境；隔膜能够将正负极隔开，以此防止短路现象出现[3]。锂离子电池的充放电工作可以看作是锂离子和电子在正负极之间不断地进行着可逆嵌入和脱出[4]。放电过程中锂离子从负极材料中脱出，充电过程与放电过程相反，此时锂离子穿过电解液和隔膜到达负极并嵌入，外部电路中电子从正极流向负极[5]。

锂离子电池充放电过程可以由以下反应式来表示：

式中：LiMOn表示常用的锂金属的氧化物。

1.2热量传递机制

锂离子电池正常工作过程中主要通过热传导、热对流以及热辐射三种方式进行热量传递。

热传导是锂电池内部及与外部接触时热量传递的重要方式。在电池内部，正负极材料、隔膜以及电解液等各组件相互接触，当局部产生热量时，会通过这些物质的分子振动，将热量从高温区域传向低温区域[6]。其热传导方程可以表示为：

式中：T为温度；t为时间；α为热扩散系数。

热对流则与电池所处的环境密切相关。当电池工作时，周围如果有空气或者冷却液等流体介质，热量会以对流的形式传递出去[5]。

热辐射是一种无需介质的热量传递形式。锂电池在工作过程中，自身会以电磁波的形式向外辐射热量，不过在常规环境下，相较于热传导和热对流，热辐射传递的热量占比相对较小，但在高温等特殊工况下，其影响也不容忽视。根据Stefan-Boltzmann定律，热辐射功率为：

式中：ε为表面发射率；σ为Stefan-Boltzmann常数；A为材料表面积。

1.3锂电池热失控机理

热失控，通俗讲指的是电池内部急剧升温并出现失去控制的情况，具体的当锂离子电池遭遇高温、针刺、内短路、过充或过放等因素时，自身温度迅速上升的同时并伴随一系列放热反应，出现电池产热量远远大于散热量，进而引起冒烟、起火或爆炸的现象称为锂电池的热失控[6]。引起锂离子电池热失控的具体原因如下：

（1）内部短路。由于隔膜破损、杂质嵌入等原因造成电池内部正负极直接接触，进而引发内部短路的问题[7]。内短路是引发电池热失控的最主要原因之一；

（2）过充过放。过充时，锂枝晶会在锂离子负极表面沉积，大量沉积的锂枝晶会刺穿隔膜导致电池短路[8]。过放时电极结构可能会遭到破坏，活性物质分解，也可能引发热失控；

（3）外部环境因素。高温环境、电池外壳受损、充电器不匹配等外部因素，也可能引发热失控；

（4）电解质分解。高温下，电解质会发生分解反应，产生可燃性气体，增加了电池内部的压力和火灾风险；

（5）电池老化。锂电池性能随着使用时间的增加逐渐下降[9]，其内部电极材料出现老化问题，使热失控的可能性上升。

另外，电解液分解产生的可燃性气体与氧气发生燃烧反应，释放大量热量。综上，锂离子电池的热失控行为总体上是因温度过高引发的。

2锂电池热失控特性

2.1单体锂电池热失控分析

引起锂离子电池出现热失控的原因很多，一般的按照触发形式的差异可以分为三类：分别为机械滥用、热滥用以及电气滥用[10]。机械滥用是指当锂电池受到外界碰撞、穿刺或严重挤压时从而引发电池热失控的方式；热滥用是指锂电池处于过高温度环境下或受到人为加热而出现热失控的形式；电气滥用是指锂电池由于内短路、过充或过放等原因出现热失控的形式。锂离子电池热失控的三种触发方式如图1所示。

锂离子电池发生热失控的同时往往伴随SEI膜分解、电解质分解、阳极阴极上的反应等一系列副反应发生[11]，具体可以表示为：

式中：Q表示副反应热量总和；QSEI表示SEI膜分解释放出的热量；Qanode表示锂电池插层上的Li与阳极溶剂发生反应释放出的热量；Qelectrolyte表示电解质分解所释放的热量；Q separator表示粘结剂分解释放的热量；Qcathode表示阴极分解所释放的热量。

2.2锂电池内短路热失控分析

2.2.1锂电池内短路机理

内短路发生时，锂电池内部温度变化可以由下式表示：

式中：Cp为电池比热容；m为电池质量；Qj为电池内部产热量；A为电池表面积；H为换热系数；TsTa为电池表面与环境的温差。

此外Qj还可表示为Qj∫I2 Rdt，电池发生故障时其内部产热量可表示为QQjQi，其中Qi为内短路产生的热值。

锂离子电池出现内短路问题时，其内部温度会在短时间内急剧上升，因此可以通过监测其内部温度变化来判断内短路出现与否[12]。

2.2.2内短路造成的热失控特性

当锂离子电池发生内短路时局部温度迅速上升，此时就需要研究局部产热功率和功率密度与热失控的关系[13]。通过将5×109 W/m3的功率密度施加到一系列的短路半径上面可以得到热失控触发时间与发热半径关系图，如图2所示。

由图2可以看出，功率密度一定时发热半径越小，热失控触发时间越长，反之则越快。故可以通过减小接触面积的方式来减缓热失控的发生。

2.3锂电池过充电热失控分析

锂离子电池内部的电化学反应热、焦耳热以及极化热是电池正常充电过程中的热源，一般这三种方式产热量均很小且不会导致电池内部剧烈升温[14]。然而，当锂离子电池长时间处于过充电状态时，正极会有大量锂析出并嵌入负极，从而导致SEI膜增厚、内部电阻升高等系列问题，最终使锂离子电池产生大量焦耳热[15]。

在充分考虑到焦耳热与极化热影响的前提下建立锂离子电池过充电热失控模型，可以表示为：

式中：Q为发热总量；Qrev为锂电池极化热；Qohm为焦耳热；Qr为电池副反应热；Qe为电池热失控过程中内短路产热量；Qdis为电池散热量。另外，锂离子电池过充电条件下电池电化学模型可以表示为：

式中：Vcathode（x）代表锂电池阴极电位随活化物质锂含量x的变化而变化；Vanode（y）为阳极电位随阳极中Lix C6含量y的变化而变化；I为过充电电流；rbat为锂电池内阻。

2.4热电耦合模型及过热监测

采用二阶RC等效电路模型模拟锂电池外特性，此模型可充分反映电池极化特点。电池温度值由热模型获取，并传递至等效电路模型以获得最优二阶RC参数、电池端电压和电动势。接着，将此时的参数代入生热公式可以得出电池的产热量数值，最后再利用电池热模型计算出当前的电池温度，这样就实现了单体电池与等效电路热电模型的耦合。单体电池模型耦合过程如图3所示。

对相邻单体电池间的热量传递、交换形式及热量散失情况进行深入分析，主要涵盖以下方面：其一为热传导，也就是电池的热量借助导热设备传导至冷却装置，最终实现热量散失[16]。其二是不同单体电池之间的热量传递过程。其三为电池与壳体之间进行的热量交换。故而，电池模组的热电耦合模型能够表述为：

式中：C为电池比热容；M为电芯质量；Q为电池产

热量；Qc，j为单体电池间热量传递数值；Tf，j为冷却介质温度；Ts，j为电池温度；Ta为当前环境温度；hl为对流换热系数；h为电池壳体与外界换热系数；Aa为电池与外界空气的换热面积；Ab为电池与冷却液的换热面积；Ml为冷却液质量。

将等效电路模型参数引入电池热模型，进而确定电池生热量大小。通过计算得出单体电池温度。依据此结果查找等效电路模型参数以实现耦合，构建电池组热电耦合模型，借此模型来计算电池温度，从而对电池内部温度进行实时监测，防止热失控现象的发生。

3结语

电动汽车锂电池热失控成为亟待解决的问题，如何对电池内部温度及热失控进行精准计算是研究电池问题的重中之重。研究从锂离子电池单体和电池模组入手，分析电池热失控机理，基于单体电池、锂电池内短路状态以及过充电状态下热失控时温度的异常变化数据，建立电池内部温度监测热电耦合模型，从而对电池内部温度进行实时监测，防止热失控现象的发生。

【参考文献】

[1]饶蕾，黄镇泽.锂离子电池储能技术研究进展[J].轻工标准与质量，2024（5）：118-119.

[2]赵家旺，周荣，朱永扬，等.电动汽车用锂离子电池安全性研究[J].电源技术，2018，42（8）：1134-1135.

[3]薛静杰，荆世博，陈露锋，等.电力能源中锂离子电池储锂性能技术提升探究[J].粘接，2022，49（11）：95-98.

[4]梅悦旎，屈雯洁，程广玉，等.锂离子电池正极补锂技术研究进展[J].储能科学与技术，2024，13（9）：1-14.

[5]朱学慢.锂电池的热失控研究[D].上海：上海海洋大学，2021.

[6]潘新锋，邵长风，王小燕.车用锂电池热失控特性及其控制方法分析[J].时代汽车，2024（17）：145-147.

[7]耿莉敏，赵扬，高楠，等.锂离子电池内短路形成机理及检测方法综述[J].汽车工程学报，2023，13（4）：481-495.

[8]潘斌，钱其峰，戴松元.锂离子电池过充行为实验研究[J].电源技术，2024，48（6）：1074-1082.

[9]FENG X，HE X，OUYANG M，et al.Thermal runaway prop⁃agation model for designing a safer battery pack with 25Ah LiNixCoyMnzO2 large format lithium ion battery[J].Applied Energy，2015，154（15）：74-91.

[10]李奎杰，周开运，詹锐烽，等.储能锂离子电池热失控早期主动安全预警技术[J/OL].电气工程学报，2024（8）：1-14.

[11]田晓鸿.石墨烯制备及其在新能源汽车锂离子电池负极材料中的应用[J].粘接，2021，45（1）：183-186.

[12]刘兵.电动汽车锂离子电池热特性分析及液冷性能优化[D].镇江：江苏大学，2024.

[13]赵磊.局部高温面热源接触下锂离子电池热失控特性研究[D].镇江：江苏大学，2024.

[14]刘冬梅，王红.锂电池的寿命与插电式混合动力汽车能量控制研究[J].粘接，2019，40（9）：97-101.

[15]秦李伟，姜点双，徐爱琴，等.锂离子动力电池系统热失控检测原理及方案[J].汽车电器，2024（3）：17-19.

[16]王壮.电动胶轮车电池散热特性研究与电池箱设计分析[D].太原：太原理工大学，2021.

（责任编辑：平海，苏幔）