【研究背景】

由于鋰離子電池（LIBs）對整個世界經濟和技術發展出現了革命性影響，其發明者因此獲得2019年諾貝爾獎。同時鋰離子電池正在迅速成為電網和電動汽車能量儲存和動力傳輸系統的重要組成部分，鋰離子電池的發展速度正在加快，它們在小型電子設備（如智能手機、平板電腦和電腦）、電動化交通（電動汽車）和大型儲能系統（電網）等方面得到廣泛應用。預計未來十年全球鋰離子電池產量將持續上升，上升幅度為4倍到10倍的范圍（如圖1）。

圖1.未來十年鋰離子電池全球產量的預期上升。

材料性能的進步提高了電池的比能量和動力傳輸能力，因此有希望進一步擴大它們的用途。與此同時，人們已經認識到，在鋰離子電池從制造到工作再到資源回收的整個生命周期中，要繼續努力來提高LIBs的安全性。單個電池中的熱失控（TR）和電池間的熱傳播是導致鋰離子電池不穩定的兩個潛在因素，可能會降低其熱安全性。TR發生在單個電池中，也可能會在多電池中傳播。TR傳播可導致爆燃、破裂和排氣，對設備和用戶造成嚴重后果。電池熱管理是提高該技術整體安全性的一個重要方面，重要目標是預測、預防和減輕LIBs中TR和電池間TR傳播兩種熱能效應。但是大多數電池管理系統通常包括安裝在選定電池上的幾個熱敏電阻，以監控它們的表面溫度，這種方法并不能跟上能量存儲和動力傳輸能力的發展。

【成果簡介】

近日，美國約翰斯·霍普金斯大學RengaswamySrinivasan教授（通訊作者）對鋰離子電池熱管理工作，包括傳感器和直接測量電池內部溫度的方法進行概述。在這篇綜述中，作者基于原因分析和相關相關經驗證據，表明電池中的熱失控和電池間的熱傳播是由于電池內部物理和化學特性的不利變化造成的。追蹤電池內TR前后變化，對電池間TR傳播的復雜途徑成功建模和繪制。防止TR和熱傳播的創新解決方法正在提出，其中包括用于快速監測每個電池內部狀況的現代電池管理系統，以及物理和化學方法，以減少TR情況下電池間熱量和物質快速傳輸的有害影響。相關研究成果以“Review-ThermalSafetyManagementinLi-IonBatteries:CurrentIssuesandPerspectives”為題發表在JournalofTheElectrochemicalSociety上。

【核心內容】

1.數學模型

通過更清楚地了解鋰離子的組成部分，使用各種數學和計算模型來更好地解釋熱安全性。這些包括對電池內部在排氣和TR前后發生的個體反應設計確定的模型，如多電池解決方法中電池設計和包裝結構的計算流體動力學(CFD)模擬，可燃性極限和高通量篩選研究，將材料的實際信號與系統響應聯系起來。同樣的，在系統中，使用反饋到電路模型參數的傳感器故障檢測，量化故障概率的數據驅動方法，通過故障模式或類似方法進行風險評估，基于云端的故障診斷工具，以及跨越不同電池形式和化學物質的趨勢。

但是預測TR存在一些關鍵問題，包括其出現的頻率極低、缺乏對熱失控的一致含義，導致實驗室規模的測試結果和現實情況不匹配，并且隨著電池測試物品的尺寸和復雜性的上升，用于測試的預算顯著新增。因此，機器學習或大數據分析等模式識別方法可以獲得有限的訓練數據集，從而出現足夠信賴的結果。另一方面，即使在仔細控制了測試設置和操作人員的可變性之后，機械濫用測試結果的結果也不是一直確定的。這種情況下，分析系統級測試結果對特定設計參數的敏感性是非常有用的。從這些試驗中獲得的參數的區間作為數學模型的輸入，并可用于建立安全圖，顯示由每個參數導出的故障概率的相互用途（如圖2）。

圖2.通過數學模型構建的通用“安全圖”

2.智能電池管理系統（BMS）

BMS-iPROUD的概念示意圖如圖3所示，iPROUD的用途不僅接收來自BMS的信息，還通過雙向通信通道接收來自負載和電網的信息。iPROUD設備的目標是調節電池從電網接收和存儲能量的速率，以及電池支持負載的速率。BMS具有每個電池的內部狀態（如電壓、溫度、阻抗等）的傳感器，監視和管理電池中的每個電池，并將這些數據輸入到iPROUD中。它使用這些數據將每個電池的內部狀態與電池的功能性能聯系起來，并將數據與從負載接收的信息相結合，決定電池可供應的電力支持水平。它對電網與電池的相互用途做出類似的決定。假如BMS檢測到電池中任何一個電池的內部狀態異常，那么iPROUD將不允許給異常電池模塊充電，直到電池狀態恢復正常。

圖3.與BMS協同工作的iPROUD原理圖

如圖4所示為快速充電的例子，利用電池內部溫度來決定充電的過程。電池快速充電不僅方便了電動汽車，而且在電網應用中也是必不可少的。它也是一個操作參數，可以新增電池內部溫度，潛在地加速電池老化，推動它進入TR和排氣。試圖使用表面溫度作為參數來保護電池不排氣可能會出現誤導，因此是有害的。圖4中的數據是由電池中的一個電池單元(5.3Ah)，開始以接近2C的速率充電。這個例子中的電池通常以0.7C的速率充電，完全放電后大約要120min才能充滿。當溫度提高到35℃以上時，iPROUD將電流轉換為零，使電池內部冷卻，并在其他時間將充電速率限制在0.7C和0.5C，電池完全充電的總時間是95min。相反，假如選擇電池表面溫度作為參數，并將其限制設置為35℃以切斷電流，則溫度會新增到一個更高的值，會加速電池老化，導致電池熱失控。iPROUD將溫度和電池電壓作為控制參數，通過電池的電解質和電荷轉移電阻以及庫侖容量以改善電池管理，從而獲得更高的安全性、長壽命以及能量存儲和動力傳輸效率。

圖4.通過限制電池內部溫度并將其作為充電過程中的控制參數之一，可減少25%的充電時間。在所示例中，5.3Ah電池的充電速度比推薦的速度更快，同時限制溫度小于35℃，電池電壓在4.2V。

【結論展望】

總而言之，鋰離子電池是目前最有效的能量存儲和動力傳輸電化學系統，它們也是最難管理的系統，尤其是從熱安全的角度來看。市場需求推動著鋰離子電池和電池制造以不斷上升的速度發展，越來越多的設備因電池故障而經歷更大的火災。為了防止火災，鋰離子電池依賴于BMS，但大多數鋰離子電池的BMS設計都是仿照過去使用的NiCd電池、NiMH電池、鉛酸電池和其他水系電池設計，在這些電池中由于通風、易燃的電解液而沒有風險。然而，鋰離子電池中發生火災的機制是完全不同的，因此適用于水系電池的BMS設計不適用于預測鋰離子電池內部的變化。針對鋰離子特定和以安全為中心的BMS設計所需的先進技術已經可用，工業和使用者都要認識到這些事實，并采用當今的傳感器技術和積累的科學知識來安全地管理現代電化學系統。