锂电池热失控原因预测

电池热失控的预测

美国德克萨斯大学阿灵顿分校的Krishna Shah对锂离子电池热失控现象进行了分析，并建立了一套锂离子电池热失控的预测机制，对于锂离子电池的安全设计具有重要的参考意义。相关研究显示，锂离子电池热失控过程主要由一下反应组成：SEI膜分解，电解液和粘结剂发生反应，电解液和正极活性物质发生分解。

影响锂离子电池热失控的因素可以分为两个，一个是电池内部的产热速率，另外一个是锂离子电池的散热速率。传统的热分析工具，一般假设锂离子电池的产热在整个体积内是均匀的，因此这些工具分析认为热失控与电池的热导率无关，这与锂离子电池在实际中的情况是不同的，因此预测结果也是不准确的。研究显示，即使在26650电池内部也存在这很大的热梯度，因此传统的方法和工具无法来准确预测电池内部和外部的热状态。

为了解决上述问题，Krishna Shah在传统的锂电热分析模型上加入了热导率参数，从而产生了一个无量纲参数——热失控数(TRN)。首先Krishna Shah建立了一个电池温度与产热和散热的之间的等式关系，如下所示

对公式之中的产热函数Q(T)在温度为T0处进行泰勒展开，忽略高阶项可得到如下公式

然后该公式需要经过复杂的数学求解过程，小编实在看不懂就不给大家介绍了，让我们直接看结果吧。最后推导获得如下结果

在整个操作范围内，都必须满足上述公式才能保证不发生热失控。该公式结合了电池内部热传递kr，电池表面散热μ1，电池产热速率参数β以及电池半径等参数。而电池的产热速率参数β和电池散热以及热导率系数是控制锂离子电池热失控的关键参数，通过增大β值，TRN值也响应增大，当TRN>1时，电池就会发生热失控，而TRN<1是电池则不会发生热失控，需要注意的是，β并不是一个固定的值，而是随着温度的升高而不断增大，因此TRN也会随之增大。

电池的散热主要由两步构成，电池内部的热传导和电池外部的热对流，因此在β一定的前提下，就需要调整电池的热导率kr和表面散热参数μ1来保证TRN<1，从而保证电池的安全性。例如当β=6000 W/m3K，kr和μ1的安全范围如上图所示。

通过Krishna Shah的工作，在电池的安全设计中我们可以利用TRN公式来计算锂离子电池的热安全系数，β值和kr值可以通过相应的实验就行测量，根据不同材料的β值和kr值，可以对电池的R值和表面散热μ1进行调整，保证TRN<1，确保锂离子电池的安全性。