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圆柱形锂离子电池热失控传递抑制机理与实验研究

1.引言

1.1锂离子电池在现代社会中的应用与重要性

锂离子电池作为高效能源存储设备，在现代社会的应用日益广泛。从便携式电子产品到新能源汽车，再到大规模储能系统，锂离子电池以其高能量密度、轻便、长循环寿命等优点，成为了能源转换与储存领域的重要组成部分。随着能源需求的不断增长，对高性能锂离子电池的研发与应用显得尤为重要。

1.2圆柱形锂离子电池热失控问题的背景与危害

圆柱形锂离子电池因结构稳定、便于规模化生产而被广泛应用。然而，电池在过充、过放、短路等滥用条件下，易引发热失控现象，导致电池内部温度急剧升高，进而引发安全问题。热失控不仅影响电池性能，甚至可能引发火灾、爆炸等严重后果，给人们的生命财产安全带来威胁。

1.3研究目的、意义及论文结构安排

本研究的目的是探讨圆柱形锂离子电池热失控传递的抑制机理，并开展实验研究，以期提高电池的安全性。通过对热失控传递的抑制策略进行研究，为圆柱形锂离子电池的安全应用提供理论指导和技术支持。

本文的结构安排如下：首先，分析锂离子电池热失控的机理；其次，探讨圆柱形锂离子电池热失控传递的抑制机理；然后，开展实验研究，验证抑制策略的有效性；接着，评估不同抑制策略的效果，并提出优化方向；最后，总结研究成果，并对未来研究方向进行展望。

2锂离子电池热失控机理分析

2.1锂离子电池热失控基本过程

锂离子电池热失控是指电池在过充、过放、短路等异常情况下，内部温度升高引发电池内部一系列放热反应，形成恶性循环，导致电池温度进一步上升，最终出现热失控现象。其基本过程主要包括以下环节：

锂离子电池内部温度升高，导致电解液分解产生气体；

气体在电池内部形成压力，导致电池鼓包或破裂；

热量进一步积累，电池内部发生热失控反应，如：SEI膜分解、正极材料分解、电解液燃烧等；

热失控反应产生大量热量，使电池温度迅速升高，导致电池损坏甚至爆炸。

2.2影响锂离子电池热失控的主要因素

影响锂离子电池热失控的主要因素有：

电池设计：电池结构、材料、制造工艺等；

使用条件：充放电速率、温度、循环寿命等；

环境因素：温度、湿度、振动等；

内部因素：电池内部微短路、锂枝晶生长、电解液老化等。

2.3圆柱形锂离子电池热失控传递特性

圆柱形锂离子电池在热失控过程中，热量传递具有以下特点：

热量传递途径：热量主要通过热传导、热对流和热辐射从电池内部传递到外部环境；

热失控传递速率：受电池结构、材料、环境温度等因素影响，热失控传递速率不同；

热失控传递方向：热量沿电池轴向和径向传递，其中径向传递为主要方向；

抑制策略：针对圆柱形锂离子电池的热失控传递特性，可采取相应抑制策略，如：优化电池结构、使用散热材料、改进电池管理等。

3.圆柱形锂离子电池热失控传递抑制机理

3.1抑制策略概述

圆柱形锂离子电池在热失控传递的抑制上，主要采取物理和化学两种策略。物理策略着重于改善电池的散热条件，降低热积累；化学策略则侧重于通过改变电池内部材料，延缓或阻止热失控反应的进行。

3.2物理抑制机理

3.2.1热传导阻隔

热传导阻隔是通过使用高热阻的材料或结构设计，来降低热量的传播速度。例如，在电池设计时，采用高热阻隔膜或者隔热层，可以有效减缓热量的传递。此外，电池外部结构的设计，如增加散热片或采用相变材料吸收热量，也是常见的热传导阻隔手段。

3.2.2热辐射与对流散热

热辐射和对流散热是通过优化电池的外部环境，提高热量的散发效率。在电池模组或电池包的设计中，可以采用强迫风冷、液冷等散热方式，强化对流传热。同时，利用高发射率的表面涂层或结构设计，提升热辐射散热效率。

3.3化学抑制机理

3.3.1电解液添加剂

电解液添加剂是一种直接作用于电池内部的化学抑制方法。通过在电解液中添加特定的化学物质，可以改变电池在高温下的化学反应路径，减少热失控反应产物的生成，从而延缓或阻止热失控的蔓延。

3.3.2正极材料改性

正极材料的改性是通过对电池正极材料进行表面修饰或掺杂，以提高其在高温下的化学稳定性，减少热失控反应的触发可能。例如，采用高热稳定性的正极材料，或者在正极材料表面涂覆一层高热稳定性的化合物，可以有效提高电池的热失控阈值。

4实验研究

4.1实验材料与设备

本研究采用的圆柱形锂离子电池，其正极材料为钴酸锂，负极材料为石墨，电解液为LiPF6/EC+EMC（体积比1:1）。实验中所用主要设备包括热分析仪、电化学工作站、扫描电子显微镜（SEM）、激光热导仪等。

4.2实验方法与步骤

4.2.1热失控触发实验

将圆柱形锂离子电池充满电，放置在热分析仪中。

以一定的加热速率对电池进行加热，观察电池温度变化，当电池温度达到设定值时，记录此时的温度作为热失控触发温度。

重复上述实验步骤，获得不