鋰離子電池因其重量輕、能量密度高、無(wú)污染等特點(diǎn)，成為了電子產(chǎn)品、交通運(yùn)輸、航空航天等各領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的電池類型。然而鋰離子電池在充放電過(guò)程中若使用不當(dāng)，可能會(huì)引發(fā)熱失控，進(jìn)而發(fā)生燃燒、爆炸等嚴(yán)重的安全事故（圖 1）。因此，鋰離子電池?zé)岚踩蔀榱穗姵匦袠I(yè)的研究熱點(diǎn)。

圖 1. 手機(jī)電池發(fā)生燃燒。

作為中國(guó)唯一的火災(zāi)科學(xué)基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究的國(guó)家級(jí)重點(diǎn)研究機(jī)構(gòu)，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（以下簡(jiǎn)稱“火災(zāi)實(shí)驗(yàn)室”）使用 COMSOL? 軟件創(chuàng)建了鋰離子電池的電化學(xué)-熱耦合模型，并根據(jù)仿真結(jié)果研發(fā)出了一種用于鋰離子電池系統(tǒng)散熱及防止熱失控傳播的復(fù)合板，大幅提升了鋰離子電池的熱安全性能。

鋰離子電池產(chǎn)熱規(guī)律的仿真及實(shí)驗(yàn)分析

許多電池安全事故都是由電池短路引起的。當(dāng)電池短路時(shí)，過(guò)大的電流會(huì)在電池內(nèi)部產(chǎn)生大量的熱量，導(dǎo)致電池的溫度急劇上升。過(guò)高的溫度會(huì)引發(fā)電池內(nèi)部嚴(yán)重的熱失控，造成電池燃燒，甚至爆炸。因此，對(duì)電池內(nèi)部熱量產(chǎn)生過(guò)程的分析是鋰電池安全性研究中十分重要的部分。為了能夠?qū)﹄姵兀ńM）進(jìn)行有效的熱管理，提高電池的安全性，火災(zāi)實(shí)驗(yàn)室的研究人員選取了商用的鈦酸鋰軟包電池作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和仿真兩種方法對(duì)鋰離子電池循環(huán)充放電的產(chǎn)熱過(guò)程和熱量分布進(jìn)行了研究。

研究人員首先使用 COMSOL 多物理場(chǎng)仿真軟件建立了電池的三維電化學(xué)模型，模型耦合了電場(chǎng)和溫度場(chǎng)，可用于探究電池內(nèi)部及表面的溫度變化。為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，研究人員對(duì)電池表面的溫度進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量。研究人員將鋰電池放置到絕熱加速量熱儀（ARC）中，然后利用充放電循環(huán)儀對(duì)電池進(jìn)行循環(huán)充放電，并用熱電偶記錄電池表面的溫度變化。通過(guò)比較仿真和測(cè)量得到的電池表面溫度數(shù)據(jù)，研究人員可以深入了解模型參數(shù)設(shè)置的合理性。

圖 2 顯示了使用仿真及實(shí)驗(yàn)方法得出的鋰離子電池溫升曲線，實(shí)線為絕熱條件下的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，虛線為無(wú)冷卻條件下的仿真結(jié)果。在隔絕熱量交換的條件下，當(dāng)電池以1.0C（C 為充放電倍率，用于描述相對(duì)于電池額定容量的充放電速率） 進(jìn)行充放電循環(huán)時(shí)，電池溫升的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完美契合，很好地模擬了電池的產(chǎn)熱過(guò)程，為后續(xù)電池?zé)崾Э氐难芯刻峁┝嘶A(chǔ)。

圖 2. 絕熱 1.0 C充放電循環(huán)條件下鋰離子電池溫升的實(shí)驗(yàn)值與模擬值對(duì)比圖。

研究人員接著對(duì)自然對(duì)流條件下不同充放電倍率時(shí)電池的溫升進(jìn)行了研究，自然對(duì)流條件下不同充放電倍率時(shí)電池溫升的對(duì)比見(jiàn)圖 3。可以看出，隨著電池充放電倍率的增加，電池的溫升明顯增大。這主要是因?yàn)殡娀瘜W(xué)反應(yīng)產(chǎn)熱與焦耳熱呈正比，并與電流的平方呈正比。研究人員同時(shí)對(duì)充放電循環(huán)中產(chǎn)生熱量最高的階段進(jìn)行了分析。從溫度變化曲線可以看出，電池出現(xiàn)了兩個(gè)溫度峰：一個(gè)溫度峰對(duì)應(yīng)的是放電過(guò)程和充電過(guò)程之間的轉(zhuǎn)換階段，主要是因?yàn)榉烹婋A段產(chǎn)熱速率大于充電階段；另一個(gè)溫度峰對(duì)應(yīng)的是恒壓充電末期，由于負(fù)極嵌鋰接近飽和，內(nèi)阻增大，產(chǎn)熱更多。

圖 3. 自然對(duì)流條件下不同充放電倍率時(shí)電池溫升的對(duì)比。

鋰離子電池?zé)崾Э胤治?/p>

電池在實(shí)際熱失控過(guò)程中，由于溫度過(guò)高會(huì)產(chǎn)生很多副反應(yīng)，而這些副反應(yīng)的產(chǎn)熱是熱失控過(guò)程后期的主要熱源，但現(xiàn)有的很多熱失控模型并未考慮到這部分化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)熱。研究團(tuán)隊(duì)綜合考慮了不同荷電狀態(tài)（state of charge，簡(jiǎn)稱SOC）下電池系統(tǒng)可能的反應(yīng)特性和產(chǎn)熱特性，將其耦合到電池的熱平衡方程中，并對(duì)一維電化學(xué)模型和三維熱模型進(jìn)行聯(lián)合，建立了耦合化學(xué)反應(yīng)熱的熱失控模型。

研究人員在 COMSOL 軟件中模擬了電池發(fā)生熱失控的過(guò)程，得到了電池內(nèi)部溫度變化歷程、電池發(fā)生熱失控的時(shí)刻等參數(shù)。圖4中的左圖和右圖分別為1Ah和 50Ah 鈦酸鋰電池的熱失控過(guò)程。對(duì)比兩個(gè)具有不同容量的電池，可以發(fā)現(xiàn)兩者之間的相似之處在于，當(dāng)電池內(nèi)的溫度上升至隔膜熔斷溫度 170℃ 左右時(shí)，電池發(fā)生內(nèi)短路，內(nèi)部的材料發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，短時(shí)間內(nèi)突然釋放出大量的熱從而引發(fā)熱失控。在絕熱工況下，電池溫度隨著充放電循環(huán)次數(shù)的增加而升高。熱失控發(fā)生時(shí)，電池內(nèi)部的中間部位溫度最高。隨著充放電電流的增加，電池產(chǎn)熱速率增大。相比于沒(méi)有考慮化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)熱的模型，考慮反應(yīng)產(chǎn)熱的模型引發(fā)熱失控的時(shí)刻明顯提前，熱失控的危險(xiǎn)也更大。

鋰離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)

電池在使用過(guò)程中產(chǎn)生的熱量如果不能及時(shí)移除，將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。因此，設(shè)計(jì)人員需要使用熱管理系統(tǒng)來(lái)控制電池組的溫度。鋰離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的主要目的是保證電池處于最佳的工作溫度范圍以及保證電池組中各部位的溫度均勻。設(shè)計(jì)人員通常用兩個(gè)參數(shù)來(lái)衡量熱管理系統(tǒng)是否有效，一個(gè)是電池組的最高溫度，另一個(gè)是電池組內(nèi)的最大溫差。電池組中包含失控阻隔，用于防止連鎖熱失控。增加阻隔措施，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)散熱效率降低，引起電池溫度分布不均；而降低隔離措施可增強(qiáng)電池間的散熱效率，但會(huì)增強(qiáng)熱失控的傳播。因此，設(shè)計(jì)新型的熱管理系統(tǒng)需要解決電池?zé)崾Э刈韪襞c系統(tǒng)散熱之間的矛盾，使兩者能夠協(xié)同作用，兼顧電池組的散熱能力和熱失控的阻隔能力。

針對(duì)此問(wèn)題，火災(zāi)實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于復(fù)合板結(jié)構(gòu)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。復(fù)合板由導(dǎo)熱殼、隔熱板、相變材料組成，呈現(xiàn)三明治結(jié)構(gòu)，如圖 5 所示。外面的導(dǎo)熱殼能將單體電池產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)移到相變材料和環(huán)境中，提高了電池組的散熱能力；內(nèi)部填充的相變材料能吸收大量熱量，保證電池在正常溫度范圍之內(nèi)工作，并極大地提高了電池組溫度的均一性；中間的隔離板能阻止熱量直接穿過(guò)復(fù)合板，可以有效隔離熱失控單體電池產(chǎn)生的熱量，使得電池的熱失控局限在單一電池內(nèi)，從而防止電池組發(fā)生連鎖熱失控。

圖 5. 上圖：基于復(fù)合板的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；中圖：復(fù)合板結(jié)構(gòu)立體圖；下圖：復(fù)合板結(jié)構(gòu)俯視圖。圖注：battery：電池；anodeand cathode：正極和負(fù)極；battery box：電池箱；composite board or other structure：復(fù)合板或其他結(jié)構(gòu)；heat conducting shell：導(dǎo)熱殼；insulation panel：隔熱板；PCM：相變材料

研究團(tuán)隊(duì)隨后對(duì)電池間不同阻隔材料的影響進(jìn)行了研究，模擬了正常工況下電池組間無(wú)阻隔，及不同阻隔方式（空氣、散熱板、復(fù)合板）下的溫度分布（圖 6）。可以看出，使用了復(fù)合板熱管理系統(tǒng)的電池的最高溫度有了顯著降低（9℃ 左右），溫度均一性也有了明顯提高。通過(guò)進(jìn)一步仿真分析，研究人員發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)還能夠延長(zhǎng)熱失控的擴(kuò)散時(shí)間，從而降低熱失控的風(fēng)險(xiǎn)。

圖 6. 3.0C放電完成后電池組的溫度分布圖。a：電池間緊密貼合；b：電池間空氣間隔；c：電池間有散熱板；d：電池間有復(fù)合板。

由仿真分析結(jié)果可以看出，火災(zāi)實(shí)驗(yàn)室提出的復(fù)合板熱管理系統(tǒng)能夠提高電池組的散熱能力及電池組溫度的均一性，同時(shí)還能夠有效地阻隔熱失控傳播，從而提高電池組的安全性。目前該研究成果已獲得中國(guó)國(guó)家專利。

火災(zāi)實(shí)驗(yàn)室鋰離子電池?zé)峁芾硌芯繄F(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人王青松表示：“COMSOL 軟件為我們的研究帶來(lái)了極大的便利，當(dāng)有新的想法時(shí)，可以直接進(jìn)行建模仿真，通過(guò)模擬結(jié)果初步對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，不斷進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，待設(shè)計(jì)想法較為成熟后，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證進(jìn)而推廣使用。這種方式不僅大幅加快了研究進(jìn)度，同時(shí)由于無(wú)需購(gòu)買材料或者搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)，還節(jié)省了大量的科研經(jīng)費(fèi)。COMSOL 軟件已經(jīng)成了我們研究中不可或缺的工具，幫助我們獲得了豐碩的研究成果。”