基于应变信号的方壳电池热失控及蔓延演变机制与主动预警

研究背景

环境污染、化石燃料急速消耗推动电动汽车快速发展；锂离子电池以其高能量，长寿命等优点广泛应用于电动汽车及储能电站。随着电动汽车的普及、推广，消费者对续航里程、快充能力的需求不断提升，高比能电池被提出并大量应用。随之而来的是安全事故的增加，电池安全已经成为制约电动汽车推广的重要因素。

传统测量手段仅基于电池电流、电压、温度等基础外特性参数，所能起到的评估作用有限；随着锂离子动力电池包逐渐走向高比能化、电池走向大尺寸化，热、力、电等多方面参量内外不一致性、滞后性问题日渐凸显；而系统层面气体传感器的布置往往在电池热失控喷阀后起作用，无法在第一节电池失效前实现提前监测。因此，如何选择有效、快捷的参量实行监测成为电池热失控预警的关键。

图1. 研究威廉希尔官方网站 路线图

研究内容

本课题为研究不同容量、正极材料的电池热失控应变演变特性，设计并开展了相关试验。

如图2所示，基于不同电池热失控试验，得出应变共性演变机制如下：

阶段I：稳定上升阶段（源于早期热膨胀与产气积累）；

阶段II：疾速上升阶段（源于热失控触发剧烈反应大量产气积累）；

阶段III：泄压阶段（源于内压积累突破泄压阀阈值，喷阀泄压）。

对各类样品电池，曲线所对应的特征现象如下：

（1）端面应变值“拐点”对应“初喷”现象，此时泄压阀上方产生电解液蒸汽；

（2）应变值骤降泄压后，泄压阀上方可燃气体产生剧烈燃烧、爆炸现象。

对样品C而言，在应变骤降时刻与电压骤降时刻几乎重合，浓烈烟、气喷发。

各项监测参量可提供的预警时间间隔如表1所示，在此次研究中基于端面应变值预警方法在热失控触发前可提供多达547.1s的时间间隔。而随着大容量电池的广泛应用，基于应变信号所能提供的预警时长更长，且串行排布系统中任意电池热失控触发前均能起到预警效果。

图2. 热失控过程温度-电压-应变曲线（a-d. 电池样品A-C的特征曲线；d-f. 应变值变化特征分析）

表1. 不同电池样品单体热失控过程各项监测参量可提供的预警时间间隔

如图3所示，各单体应变演变机制在热失控蔓延过程也得到映证。

图3. 模组层级热失控蔓延过程应变特征曲线及演变机制

针对不同锂离子电池单体/模组热失控（蔓延）过程端面应变演变机制，所做数值分析统计结果如图4。

图4. 不同锂离子电池单体/模组热失控（蔓延）过程端面应变特征统计示意图

据此前研究统计， NCM523和NCM622正极电池产气量归一化数值分别为1.4-1.5 L/Ah、1.6-1.7 L/Ah。此次研究引入正极材料-产气量系数f，针对NCM523和NCM622正极电池，f取值分别为1.05和1，由此可得此类大容量方壳电池热失控过程整体应变增量和电池容量符合公式（1）：

实时应变变化率如公式（2）所示：

第一、二阶段应变平均变化率分别如公式（3-4）所示：

第一、二阶段应变平均变化率-容量公式分别如公式（5-6）所示：

随电池容量增加，尺寸增大，第一阶段应变增速不显著，应变变化率呈现递减趋势；

而大容量电池活性材料增多，产气量、产热量显著增加，导致端面应变值最大增量明显提升。

热失控蔓延过程各节电池触发所导致的最大应变增量并未统一呈现增长趋势。

大容量方壳锂离子电池系统在热失控过程呈现“膨胀/内压积累-喷发泄压”的演变特征，喷发后高温松软且较空的卷芯部分会被下一节失控电池挤压形变，电池系统中各节电池弯折形变的方向指向第一节失控电池，与热失控蔓延的方向相反，此结论也可为电池系统事故调查提供理论依据及指导。

总结与展望

1.相较于电池温度、电压，采用端面应变的热失控检测、预警效果优越性明显、且成本较低；

2.基于端面压力的单体热失控过程研究,发现了“初喷”、“爆燃”等过程演变特性在力学信号维度上的新特征；

3.通过不同容量的锂离子电池单体/模组热失控（蔓延）过程演变特性研究，提炼了电池热失控过程最大应变总增量-容量的计算公式及热失控各阶段应变平均增长速率-容量公式；

4.基于端面应变的研究为电池系统热失控及蔓延主动预警、防护设计提供了新的思路。

编辑：黄飞