鋰電池熱失控原因預測

電池熱失控的預測

美國德克薩斯大學阿靈頓分校的Krishna Shah對鋰離子電池熱失控現象進行了分析，并建立了一套鋰離子電池熱失控的預測機制，對于鋰離子電池的安全設計具有重要的參考意義。相關研究顯示，鋰離子電池熱失控過程主要由一下反應組成：SEI膜分解，電解液和粘結劑發生反應，電解液和正極活性物質發生分解。

影響鋰離子電池熱失控的因素可以分為兩個，一個是電池內部的產熱速率，另外一個是鋰離子電池的散熱速率。傳統的熱分析工具，一般假設鋰離子電池的產熱在整個體積內是均勻的，因此這些工具分析認為熱失控與電池的熱導率無關，這與鋰離子電池在實際中的情況是不同的，因此預測結果也是不準確的。研究顯示，即使在26650電池內部也存在這很大的熱梯度，因此傳統的方法和工具無法來準確預測電池內部和外部的熱狀態。

為了解決上述問題，Krishna Shah在傳統的鋰電熱分析模型上加入了熱導率參數，從而產生了一個無量綱參數——熱失控數(TRN)。首先Krishna Shah建立了一個電池溫度與產熱和散熱的之間的等式關系，如下所示

對公式之中的產熱函數Q(T)在溫度為T0處進行泰勒展開，忽略高階項可得到如下公式

然后該公式需要經過復雜的數學求解過程，小編實在看不懂就不給大家介紹了，讓我們直接看結果吧。最后推導獲得如下結果

在整個操作范圍內，都必須滿足上述公式才能保證不發生熱失控。該公式結合了電池內部熱傳遞kr，電池表面散熱μ1，電池產熱速率參數β以及電池半徑等參數。而電池的產熱速率參數β和電池散熱以及熱導率系數是控制鋰離子電池熱失控的關鍵參數，通過增大β值，TRN值也響應增大，當TRN>1時，電池就會發生熱失控，而TRN<1是電池則不會發生熱失控，需要注意的是，β并不是一個固定的值，而是隨著溫度的升高而不斷增大，因此TRN也會隨之增大。

電池的散熱主要由兩步構成，電池內部的熱傳導和電池外部的熱對流，因此在β一定的前提下，就需要調整電池的熱導率kr和表面散熱參數μ1來保證TRN<1，從而保證電池的安全性。例如當β=6000 W/m3K，kr和μ1的安全范圍如上圖所示。

通過Krishna Shah的工作，在電池的安全設計中我們可以利用TRN公式來計算鋰離子電池的熱安全系數，β值和kr值可以通過相應的實驗就行測量，根據不同材料的β值和kr值，可以對電池的R值和表面散熱μ1進行調整，保證TRN<1，確保鋰離子電池的安全性。