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锂离子电池热失控传播特性及影响因素

锂离子电池具有高能量密度、长生命周期和低放电率等优点，在电动汽车和储能电站等领域得以广泛应用，从而能有效提高可再生能源的利用比例。然而，近年来锂离子电池安全事故频发，电池热失控引起的火灾和爆炸严重威胁人们的生命财产。因此，研究锂离子电池的热失控机理、热失控传播特性以及热失控抑制策略对提高锂离子电池安全性，促进锂离子电池电化学储能技术发展具有重要意义。

锂离子电池单体的热失控引起其他电池单体发生热失控的现象为电池热失控传播。为了揭示热失控传播路径，并充分了解影响热失控传播特性主要因素，国内外学者进行了大量研究，以期对电池模组到电池系统的安全设计提供技术支持和理论指导。在本文中，介绍了锂离子电池模组中传热路径，总结了热失控触发方式、电池模组结构和环境条件等主要因素对热失控传播特性的影响。

1、热失控传播路径

热失控传播传热路径包括通过电池外壳和连接器的热传导、通过高温气体的热对流以及通过火焰和热失控电池表面的热辐射。

Song等发现超过75%的链式反应热量用于加热电池本身，大约20%的链式反应热量通过喷射物带走，而小于10%的链式反应热量会引发相邻电池进入热失控。对于间距为2mm的圆柱电池，如图1(a)，加热器功率越大，电池之间辐射传热比通过空气对流热更重要。

在无间距的方形电池模组中，如图1(b)，Feng等发现通过电池连接器传递的热量约为通过电池外壳传递热量的1/10，引发相邻电池热失控所需要热量主要为通过电池壳体的热传导。对于电池模组中的侧板，热量从热失控电池传导到侧板，约40.8%的热量通过侧板流入相邻电池。

在半封闭空间中，如图1(c)，顶板限制了火焰形状，使火焰对电池的辐射热通量得到增强。在密闭空间中，如图1(d)，氧气供应不足导致可燃气体的燃烧效率低，而高温过热气体的积聚增强了气体对电池的对流换热量。

图1热失控传播路径。(a)间距2mm，加热器诱导电池热失控的传热路径；(b)串联的方形电池模组的传热路径；(c)半封闭空间中的顶板的传热路径；(d)封闭空间中的传热路径

3、热失控传播的影响因素

1、热失控触发方式

如图2，热失控的触发方式影响热失控的传播特性。锂离子电池热失控触发方式包括机械滥用(针刺、挤压等)、电滥用(外部短路、过充电、过放电等)和热滥用(高低温环境、侧向加热等)，且GB38031—2020中推荐了针刺和侧向加热两种触发方式作为热失控传播实验的可选方法。

Jin等研究了7种加热功率对电池模组热失控传播特性的影响，研究发现，预热效应是加速热失控传播的主要原因。

Lai等对比了针刺、过充和加热三种触发方式下电池模组的热失控传播特性，研究表明，在热失控传播初期，热失控传播时间和触发温度差异明显，然而，在热失控传播后期，这些差异会逐渐消除。此外，电池的正极材料、充电倍率、电池间距和荷电状态等因素在热失控触发方式中影响热失控传播特性。

Schoberl等对比NCM811和LFP正极的电池热失控传播特性，热失控通过针刺触发，研究表明，NCM811电池模块的传播速度比LFP模块的传播速度快5倍。

Hu等研究了不同充电倍率(0.5C/1C/2C/3C)对热失控传播特性的影响，热失控通过加热器加热触发，研究表明，随着充电倍率的提高，电池模组的热失控传播时间明显缩短。

Zhu等研究了10Ah的NCM软包电池在不同荷电状态SOC(stateofcharge，荷电状态)和间距下对热失控传播特性的影响，热失控由加热器加热触发，研究表明，热失控的传播时间随着SOC的增加或间距的减少而缩短，SOC对热失控喷射行为的影响大于电池间距。

图2热失控触发方式

2、锂离子电池模组结构

（1）电池连接方式

多个电池单体按照串联、并联或串并联的方式组合成为了电池模组。串联(S)为热失控传播提供了导热途径，并联(P)为热失控传播提供了导热和导电途径。电池连接方式影响热失控的传播特性。

如图3(a)所示，Lamb等在圆柱形电池模组中对比了10S1P和1P10S两种连接方式下的热失控传播特性，电池热失控由针刺触发，研究表明，圆柱电池由于接触有限而不易热传导，10S1P电池模块内没有发生热失控传播，而1S10P电池模块在电池触发热失控后几分钟内发生了热失控传播，并联连接导致了更强的传播。

如图3(b)所示，Niu等研究了具有3mm间隙的线性排列的18650圆柱形电池上的热失控传播特性，电池热失控由加热器加热触发，研究表明，与开路模块相比，平片连接可能导致外部短路，加速热失控传播，非平片连接更容易引发爆炸。

如图3(c)所示，Xu等使用12个没有连接的电池及具有3P4S和4P3S连接的模块进行了热失控传播实验研究，研究表明，在三组实验中热失控的传播速度先降低后加快，不同实验之间具有相似的最高温度和热失