鋰電池由于其高能量密度、良好的循環(huán)性能被廣泛應(yīng)用于手機、電腦等便攜性設(shè)備。隨著新能源的推廣，電池也逐步應(yīng)用于諸多大型設(shè)備如電動汽車、儲能電站，甚至于和國際空間站等。然而電池本身在高溫環(huán)境下具有不穩(wěn)定性，一旦電池發(fā)生熱失控，可能會引發(fā)周圍電池的連鎖熱失控，造成巨大的經(jīng)濟損失。

研究內(nèi)容

火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室王青松課題組綜合考慮電池實際應(yīng)用中的兩種排列方式，分別對其熱失控傳遞行為進行了實驗研究。通過對底部中間電池加熱，致使電池?zé)崾Э?，得到周圍電池在該失控電池的影響下的溫度特性和燃燒行為?/p>

電池組菱形和平行排列

實驗研究得到以下一些重要結(jié)論：

（1）失控電池火焰對周圍電池的火焰沖刷對電池?zé)崾Э貍鬟f出現(xiàn)重要用途，但使得周圍電池?zé)崾Э夭痪哂幸话阋?guī)律性。平行排列電池在底部受熱條件下，電池表面溫度到達(dá)120~140℃區(qū)間會發(fā)生起火燃燒。然而，菱形排列電池，在僅受底部熱失控電池火焰用途下，使3#電池和4#發(fā)生著火的表面溫度出現(xiàn)在185℃和78.5℃。

（2）火焰沖刷下的電池，即使火焰熄滅仍具有一定的爆炸隱患。在所有電池火焰熄滅后的20分鐘，1#電池和4#電池溫度穩(wěn)定在120至130℃區(qū)間并穩(wěn)定上升的"陰燃"階段，之后4#電池和1#電池突然相繼發(fā)生爆炸。

菱形排列電池組熱失控傳播實驗電池表面溫度變化曲線

菱形排列電池組熱失控傳播實驗電池近火焰區(qū)溫度變化曲線

平行排列電池組熱失控傳播實驗電池表面溫度變化曲線

平行排列電池組熱失控傳播實驗電池近火焰區(qū)溫度變化曲線

為解釋該電池"陰燃"階段和電池?zé)崾Э貍鬟f行為，本文采用C80測量電池電極材料的熱流并使用兩個傳統(tǒng)熱爆炸模型（Semenov模型和Frank-Kamenetskii模型）對其進行計算。

通過各反應(yīng)熱流曲線可以得到電極材料反應(yīng)的熱物性參數(shù)。分別通過總反應(yīng)的熱物性參數(shù)求得各自模型的自加速分解溫度：SADTsem=126.1℃和SADTF-K=139.2℃。而實驗中發(fā)生熱爆炸的電池表面溫度正好處于該兩極限模型條件下的溫度區(qū)間。根據(jù)本作者前篇文章的分析，正極材料的熱分解是導(dǎo)致電池發(fā)生熱失控的重要原因。因此又通過兩極限模型對正極材料導(dǎo)致電池?zé)崾Э氐淖约铀俜纸鉁囟冗M行計算，分別求得為160.1℃（Semenov）和196.6℃（Frank-Kamenetskii）。意味著當(dāng)電池溫度達(dá)到這兩者溫度區(qū)間時，并未及時對電池進行冷卻，電池將不可防止的發(fā)生熱失控。

成果簡介

小結(jié)：

本團隊針對電池組熱失控傳遞行為，通過實驗發(fā)現(xiàn)了火焰沖刷對周圍電池造成的非規(guī)律性失控和火焰沖刷下導(dǎo)致的爆炸隱患及其之前的"陰燃"階段；為解釋失控傳播和"陰燃"階段，本團隊分析了電池內(nèi)部電極材料的熱物性參數(shù)，并使用兩種極限熱失控模型對其進行計算，得到的計算結(jié)果符合電池?zé)岜ㄇ暗?陰燃"階段溫度特性。本文為電池的大規(guī)模應(yīng)用及安全預(yù)案設(shè)計供應(yīng)了參考。但由于模型本身的局限性，無法較準(zhǔn)確的得出電池?zé)崾Э氐呐R界狀態(tài)。目前本團隊已對模型進行修正，首次得出針對電池?zé)崾Э氐呐R界判據(jù)和計算模型，該成果將在不久的將來公布，敬請期待!

相關(guān)研究結(jié)果已發(fā)表在AppliedEnergy上

黃沛豐博士為論文的第一作者，王青松為通訊作者

PeifengHuang,PingPing,KeLi,HaodongChen,JianaYe,QingsongWang*,JenniferWen,JinhuaSun.ExperimentalandmodelinganalysisofthermalrunawaypropagationoverthelargeformatenergystoragebatterymodulewithLi4Ti5O12anode.Appliedenergy183(2016)659–673.