清华大学-动力电池热失控与电解质
一文带你看懂动力电池热管理系统
一文带你看懂动力电池热管理系统如果电池的工作温度超出合理温度区间，不论是过热或过冷，都可能发生热失控，电池性能都会明显甚至急剧下降。
因此，电动汽车都会装备动力电池热管理系统，监测电池的工作温度等状况，出现异常时及时报警和处理。
动力电池热管理系统主要有冷却处理、加热升温、调整充放电策略三方面内容。
一、冷却处理高电压蓄电池的工作温度必须处于特定的范围内，才能确保容量和充电循环数等指标的理想寿命得以优化。
当电池温度较高时，利用冷却液循环、自然风吹散热、热泵空调等冷却方式，对电池进行冷却降温。
1.冷却液循环根据环境温度，可通过低温冷却器或连接在制冷剂循环回路上的热交换器，将高电压蓄电池的余热排出。
低温回路2的控制主要通过驱动高电压蓄电池冷却转换阀来完成。
高电压蓄电池冷却回路的散热器可将余热直接排放到环境中。
热交换器通过热交换器中所喷入或蒸发的制冷剂，对冷却液进行冷却。
随后，冷却后的冷却液提供给低温回路。
低温冷却回路如图所示：在通过充电装置供电插座对高电压蓄电池进行充电时，低温回路转换阀（Y73/2）在中等温度下切换到直流转换器和充电装置方向，并将电子装置的余热通过低温回路的散热器排出为此，风扇可根据冷却液温度分级开启。
当高电压蓄电池温度较低时，冷却液通过被高电压蓄电池冷却系统膨胀阀阻断的热交换器进行输送。
在这种情况下，高电压蓄电池的热容量被用于冷却直流转换器和充电装置的电子系统。
电动制冷剂压缩机将低温气态制冷剂从蒸发器中抽取，对其进行压缩，同时令其升温并输送到冷凝器中。
压缩后的高温制冷剂在冷凝器中通过流经的，或通过风扇马达所吸入的车外空气进行冷却。
当达到根据制冷剂压力所确定的露点后，制冷剂便会发生冷凝，并令其形态由气态变为液态。
随后，制冷剂流入储液罐(干燥器)。
在流过储液罐时，制冷剂吸收潮气，蒸气气泡被析出，同时机械杂质会被滤除，以保护后续部件免受侵害，清洁后的制冷剂继续流向高电压蓄电池冷却膨胀阀。
在那里，处于高压下的液态制冷剂被喷入，或蒸发至高电压蓄电池冷却系统热交换器中。
磷酸铁锂电池热失控产生气体机理
磷酸铁锂电池热失控产生气体机理1. 前言近年来，随着电动汽车和储能设备的快速发展，磷酸铁锂电池作为一种新型动力电池，得到了广泛的应用。
然而，随之而来的安全问题也备受关注。
磷酸铁锂电池在使用过程中，有可能发生热失控现象，从而产生大量有机气体，威胁使用设备和人身安全。
研究磷酸铁锂电池热失控产生气体的机理，对提高电池安全性具有重要意义。
2. 热失控的原因热失控是由于电池内部发生的化学反应过程过热而引起的。
磷酸铁锂电池的正极材料主要是锂铁磷酸盐，负极材料主要是碳材料。
在充放电过程中，电池内部会发生化学反应，释放出大量的热量。
如果电池内部的散热不良，或者受损导致内短路，都有可能导致电池过热，进而发生热失控。
3. 气体产生的机理磷酸铁锂电池热失控产生气体的机理主要是由于电解液分解产生有机气体。
电解液中主要含有有机磷和溶剂等成分，当电解液受热分解时，会产生磷化氢等有机气体。
电池内部的高温环境会加速电解液的分解反应，从而产生更多的有机气体。
这些有机气体不仅可能导致电池的爆炸和火灾，还可能对使用设备和人员造成伤害。
4. 预防和控制措施为了预防和控制磷酸铁锂电池的热失控和气体产生，可以采取以下措施：4.1 优化电池结构，提高散热性能，降低电池内部温度；4.2 引入热敏元件，及时感知电池内部的温度升高，采取措施避免热失控；4.3 优化电解液成分，降低有机气体产生量；4.4 建立严格的电池检测标准，对电池在生产和使用过程中进行严格检测和监控。
5. 结语磷酸铁锂电池在应用中出现热失控产生气体的问题已经成为电动汽车和储能设备产业的一个重要安全隐患。
对于热失控产生气体的机理进行深入研究，制定有效的预防和控制措施，对提高电池的安全性具有重要意义。
相信随着技术的不断进步，磷酸铁锂电池的安全性将得到更大程度的保障。
6. 研究进展随着人们对电池安全性的重视和电动汽车、储能设备市场的快速增长，磷酸铁锂电池安全性的研究进展日益受到关注。
车用锂离子动力电池热失控诱发与扩展机理、建模与防控
车用锂离子动力电池热失控诱发与扩展机理、建模与防控一、本文概述1、车用锂离子动力电池的重要性和应用背景随着全球对环保和可持续发展的日益关注，新能源汽车，特别是电动汽车（EV）在全球范围内得到了广泛的推广和应用。
作为电动汽车的核心组件，车用锂离子动力电池的性能和安全性直接影响着整车的运行效率和乘客的安全。
因此，深入研究和理解车用锂离子动力电池的热失控诱发与扩展机理、建模与防控技术，对于推动电动汽车行业的健康发展，提高电池系统的安全性和可靠性，具有重大的现实意义和理论价值。
车用锂离子动力电池以其高能量密度、长寿命、无记忆效应等优点，成为新能源汽车领域的主流选择。
然而，随着电池技术的不断进步和应用范围的扩大，电池安全问题也逐渐凸显出来。
特别是在高温、过充、短路等极端条件下，电池内部的热失控反应可能会迅速扩展，导致电池起火甚至爆炸，严重威胁到乘客的生命安全。
因此，对车用锂离子动力电池的热失控诱发与扩展机理进行深入研究，有助于我们更好地理解电池安全问题的本质，为电池设计、制造和使用提供科学的理论依据。
通过建立精确的电池热失控模型，我们可以对电池的安全性进行定量评估，为电池管理系统的设计和优化提供重要的参考。
研发有效的电池热失控防控技术，也是提高电池安全性和推动电动汽车行业可持续发展的重要途径。
车用锂离子动力电池的重要性和应用背景使得对其热失控诱发与扩展机理、建模与防控技术的研究成为了当前新能源汽车领域的热点和难点问题。
只有不断深入研究和探索，才能为电动汽车行业的健康发展提供坚实的技术支撑。
2、热失控问题的严重性和研究意义随着全球能源危机和环境污染问题的日益严重，新能源汽车以其环保、节能的优势，逐渐成为汽车市场的新宠。
其中，锂离子动力电池作为新能源汽车的核心部件，其性能与安全性直接关系到车辆的运行效率和乘客的生命安全。
然而，锂离子动力电池在充放电过程中，由于内部化学反应的复杂性以及外部环境因素的影响，存在着热失控的风险。
对锂离子电池电解液的全方位解析
近年来，现代社会的快速发展呼唤着先进的储能，以满足日益增长的能源供应和发电需求。
作为最有前途的储能系统之一，二次电池受到了广泛关注。
电解液是二次电池的重要组成部分，其成分与二次电池的电化学性能密切相关。
锂离子电池电解液主要由溶剂、添加剂和锂盐组成，在一定条件下，根据特性需要，按特定比例制备。
近日，河北科技大学陈爱兵教授与清华大学教授等从作用机理和失效机理方面分析了锂离子电池液体电解质的优势和目前存在的问题，总结了溶剂、锂盐和添加剂的研究进展，分析了锂离子电池电解质的未来发展趋势和要求，指出了先进锂离子电池电解质发展的新兴机遇。
图1、锂离子电池的应用锂离子电池原理图2、可充电锂离子电池的示意图。
LIBs的故障包括容量衰减、内阻增加、速率性能降低、气体产生、液体泄漏、短路和热失控，这些故障是由电池在使用或储存过程中的一系列复杂的化学和物理相互作用引起的（图3).一些副作用来自于有机电解质在高温下的不稳定性，，这就需要改进溶剂、锂盐和添加剂来延迟失效过程。
锂沉淀等失效现象，将严重影响LIB的性能。
对失效现象的深入分析，有利于提高锂离子电池的性能。
图3、电池热失控的诱因。
锂离子二次电池电解液锂离子二次电池因其高平均工作电压、低自放电率和长循环寿命而受到高度重视。
早期阶段的电池的电解质大多使用水作为溶剂系统。
基于水电解质的锂离子电池由于其安全性、环保性和低成本而引起了越来越多的关注。
水溶剂对各种类型的盐类具有良好的溶剂化性，溶剂化的离子会与水分子形成一个溶剂化的壳结构。
水包盐（WIS）电解质，如使用超浓缩的有机锂（Li）盐，对水性锂离子电池有吸引力。
Pan等人，通过使用定制的单粒子模型分析循环伏安法和电压分布，阐明了锂离子在不同浓度的LiFePO4作为活性电极的水溶液中的热力学和动力学行为。
这些基本认识对高浓度水电解质的开发具有重要价值。
目前，水基锂离子电池的发展仍然面临着许多挑战。
因此，非水电解质系统作为锂离子电池的电解质已经出现。
高速摄像机在辅助光源帮助下观察对电池热失控喷发过程
文章导读近期，来自清华大学团队的王贺武、张亚军等人利用nac高速摄像机（型号：ACS-1），以“锂离子动力电池中等荷电状态下热失控产物喷发过程研究”为题深入研究了NCM622电池在中等SOC下热失控vent爆开、内容物喷射过程，进一步加深了对电池热失控的认识。
成果发表在最近的《储能科学与技术》上。
研究背景由于防爆阀爆开时电池内部压力非常大，电池热失控过程极为迅猛，通过普通的摄像机记录无法了解其详细过程。
故此次研究采用武汉中创联达科技有限公司提供的日本nac高速摄像机（型号：ACS-1）对整个现象进行视频记录。
简易解析一般来说，电池在内短路和过充、加热等极端条件下存在热失控风险。
对于方形动力电池，除了爆炸等极端案例，热失控其他常见的现象为防爆阀爆开、大量烟雾和火焰从防爆阀口喷出。
此次研究的对象为方形动力电池，其组成包含有fuse(熔断丝)、OverchargeSafety Device（过充保护装置）和vent（防爆阀)三大安全设计要素。
电池采用NCM622/的石墨体系，具体实验所用的方形动力电池信息如下表1所示：图1.简易实验装置示意图高速摄像机在辅助光源帮助下对电池热失控喷发过程进行拍摄，摄像机最大拍摄帧率为20万帧/秒。
为了避免电池热失控可能造成的仪器损坏和喷发物燃烧、爆炸问题，实验团队设计了一套耐高压的密闭实验装置，对电池热失控喷发过程进行研究（如图1所示）。
图2.由防爆阀喷出的射流的轮廓变化过程注：上图（图2）为喷射流分别在0.26ms、0.80ms、3.20ms、16.0ms、400.0ms的灰度图像（相对时间），下图为经过滤波等处理后的轮廓图像。
能够看到喷射流一开始从防爆阀两侧流出时，外轮廓为带状，随后在上方形成上面小下面大的锥形外轮廓。
接着，随着时间的推移，喷射流外轮廓变成无定型，随后又变成上大下小的倒锥形，最后慢慢消失。
图2展示的是在400ms内喷射流的演变过程，从外轮廓的变化可以看到喷射流的波动，通过该波动可以看出喷射过程并不稳定。
锂离子电池热失控防范技术
锂离子电池热失控防范技术李惠;吉维肖;曹余良;詹晖;杨汉西;艾新平【摘要】安全性是制约高比能、大容量锂离子电池规模应用的重要技术问题,热失控是导致电池发生爆炸、燃烧等不安全行为的根本原因.从电化学角度来看,在锂离子电池内部建立一种自激发热保护机制,切断危险温度下电池内部的离子或电子传输,关闭电池反应,是解决这一问题的有效途径.基于这一考虑,近年来人们提出了一系列新型热失控防范技术,包括正温度系数电极(即PTC电极)、热敏性微球修饰隔膜(或电极)、热聚合添加剂等.本文在简要介绍这些安全性技术的实现方式和工作原理之后,重点介绍了这一领域的最新研究进展.在此基础上,从实际应用需求出发,对其存在的问题及发展趋势进行了探讨.【期刊名称】《储能科学与技术》【年(卷),期】2018(007)003【总页数】8页(P376-383)【关键词】安全性;热失控;正温度系数;热敏感;锂离子电池【作者】李惠;吉维肖;曹余良;詹晖;杨汉西;艾新平【作者单位】湖北省化学电源材料与技术重点实验室,武汉大学化学与分子科学学院,湖北武汉430072;湖北省化学电源材料与技术重点实验室,武汉大学化学与分子科学学院,湖北武汉430072;湖北省化学电源材料与技术重点实验室,武汉大学化学与分子科学学院,湖北武汉430072;湖北省化学电源材料与技术重点实验室,武汉大学化学与分子科学学院,湖北武汉430072;湖北省化学电源材料与技术重点实验室,武汉大学化学与分子科学学院,湖北武汉430072;湖北省化学电源材料与技术重点实验室,武汉大学化学与分子科学学院,湖北武汉430072【正文语种】中文【中图分类】TM911锂离子电池具有高比能量、高比功率和长寿命等特征，是当前车用和储能电池的首选[1-2]。
近年来随着新能源汽车的飞速发展，锂离子动力电池产业规模不断扩大。
EVTank发布的《2016年中国锂动力电池研究报告》统计数据显示，2016年中国国内锂离子动力电池出货量合计达到30.5 GW·h，较2015年的17.0 GW·h大幅增长79.4%。
车用锂离子动力电池热失控诱发与扩展机理、建模与防控
车用锂离子动力电池热失控诱发与扩展机理、建模与防控一、概述随着全球能源危机和环境污染问题的日益严重，清洁、高效的电动汽车（EV）已成为未来交通出行的重要选择。
而车用锂离子动力电池作为电动汽车的核心部件，其性能直接决定了电动汽车的续航里程、安全性能以及使用寿命。
电池热失控问题一直是制约车用锂离子动力电池性能提升和安全运行的关键因素。
深入研究车用锂离子动力电池热失控的诱发与扩展机理、建立精确的热失控模型以及探索有效的防控策略，对于提升电动汽车的安全性、可靠性和经济性具有重要意义。
本文首先对车用锂离子动力电池热失控的基本概念进行界定，明确热失控的诱发因素和扩展过程。
接着，从材料学、电化学和传热学等多个角度出发，详细阐述热失控的诱发与扩展机理，包括电池内部短路、热失控触发条件、热量传递与积聚等方面。
在此基础上，本文将介绍热失控模型的建立方法，包括基于物理原理的模型、基于数据驱动的模型等，并对各种模型的优缺点进行比较分析。
本文将探讨车用锂离子动力电池热失控的防控策略，包括电池材料改进、电池管理系统优化、热隔离与散热技术等。
通过综合运用这些策略，有望降低车用锂离子动力电池热失控的风险，提高电动汽车的安全性和可靠性，为电动汽车的广泛应用和可持续发展提供有力保障。
1. 车用锂离子动力电池的重要性和应用背景随着全球能源危机和环境污染问题日益严重，新能源汽车作为一种环保、节能的交通方式，逐渐受到了广泛的关注和应用。
作为新能源汽车的核心部件之一，车用锂离子动力电池的性能直接影响着整车的续航里程、安全性能以及使用寿命。
深入研究车用锂离子动力电池的热失控诱发与扩展机理、建模与防控技术，对于提高新能源汽车的安全性和可靠性，推动新能源汽车产业的健康发展具有重要意义。
车用锂离子动力电池具有高能量密度、长寿命、无记忆效应等优点，被广泛应用于各类新能源汽车中。
随着电池能量密度的提高和使用环境的复杂化，电池热失控事件时有发生，给人们的生命财产安全带来了严重威胁。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
hexm@动力电池热失控与电解质清华大学核能与新能源技术研究院新型能源与材料化学研究室何向明第二届中国锂电池电解液研讨会20132013年7月25日上海Un R e g i st er ed报告内容1.动力锂离子电池安全性2.锂离子电池热失控过程3.聚合物电解质与安全性Un Re gi st er ed08年6月，丰田普锐斯起火事件11年5月，雪佛兰沃蓝达起火12年1月，菲斯克卡玛起火事件13年1月，波音787起火事件Un Re gi st er edMain battery locationAuxiliary Power Unit (APU)battery locationU n R e gi st e r e dInvestigative Work5Un Re gi st er edDamaged electrode in Cell #6Hot SpotYellow card is a laboratory marking used for identification purposes.Un Re gi st er edDamaged Electrode -Internal Short CircuitderetsigeRnU锂离子电池安全隐患诱因静态内短路化学、物理、机械deretsigeRnUUL锂离子电池安全隐患诱因动态内短路Un Re gi st er ed电池热失控过程U n R e g i st er ed全电池热失控热量研究12345678912345678电池温度放热量150℃是锂离子电池热失控的关键温度96. 负极/溶剂反应5. 负极/粘结剂反应1. SEI膜分解2. 正极分解3. 溶剂分解4. 隔膜氧化7.溶剂氧化8. 铝集流体氧化Un R e gi st er ed我国的相关标准deretsigeRnU《安全与电磁兼容》2010年第四期加速绝热量热：电池热失控热量研究25Ah 三元材料电池Un Re gi st er ed14Experiment 1304101.隔膜崩溃短路，电压降低Un Re gi st er edTotal EnergyElectricalChemical100% SOC0% SOC632100J360000J272100J627026J289080J电池短路放热占较大比例，隔膜对电池安全性很重要Un Re gi st er ed16I IIIV III VI T 1T 2T 3Un Re gi st控制热失控的策略切断电池自引发产热链，可以控制动力电池热失控，保证电池安全Un Re gi st er ed电池安全性的核心-----“热”•产热•传热电池温度Un Re gi st e r ed控制热失控的策略1）减少化学反应的放热量。
2）控制放热反应速率，降低产热速度。
3）提高放热反应发生的温度。
4）改善电池散热，缓解电池温升。
Un Re gi st er ed凝胶电解质的稳定性•解决液态电解液的不稳定问题。
•提高了电解液的耐氧化稳定性。
电池4.2伏充电态，90℃放置4小时普通电池隔膜被氧化凝胶电解质，电池隔膜未被氧化凝胶电解质可以缓解电池放热反应Un R e gi st er ed热稳定性电解质安全性电解质，放热起始温度高，放热量小，可以缓解电池温升UnR egiste red小结U2） 凝胶电解质、电解液添加剂可以缓解电 池放热反应。
nR eg1） 减缓反应放热，减缓电池温升，可以抑 制电池热失控。
2）隔膜对电池热失控至关重要。
iste redU nR eg is聚合物电解质与安全性te red聚合物电解质的“纠结”• 安全性 • 电性能is U nR egte re如何平衡？d电解质的功能与机理UnR egis跑步 荡秋千 跳格子te red纠结与解决nR eg跑步荡秋千is机理趋同te re跳格子 耦合 u凝胶电解质 u无机/聚合物复合电解质Uu塑晶电解质 u无机非晶电解质d科学 vs 技术液态 热安全性 力学强度 界面稳定性 离子电导率 工艺适用性★ ★ ★ ★★★ ★★★凝胶★★ ★★ ★★ ★★ ★全聚合物无机★★★ ★★ ★★★ ★ ★iste renR egUd★ ★★★★ ★★★ ★★★聚合物电解质研究1. 聚合物基体Ø 聚氟烷烃嵌段聚合物 Ø 聚丙烯腈基嵌段聚合物我们走过的路Ø 无机纳米颗粒 Ø 星形大分子Ø 有机/无机杂化胶体3. 聚合物电解质/隔膜复合结构Ø 层状复合 Ø 接枝复合UnR eg2. 聚合物复合电解质isØ 梳状聚醚磷酸酯、支化聚醚磷酸酯、IPN型聚醚磷酸酯te red聚醚磷酸酯聚醚磷酸酯：1.韧性好 2.阻燃性好 3.极性强，有利于锂盐解离 O= Ø 成膜性好POCl3H2C=CHCO(CH2CH2O)mHnR egisH3C(OCH2CH2)nOH HO(CH2CH2O)xH 活性链段 支化链端 O= O= H2C=CHCO(CH2CH2O)m P—O(CH2CH2O)nCH3 O(CH2CH2O)x P=O H3C(OCH2CH2)nO LPEP系列，Mw= 506~3022H2C=CHCO(CH2CH2O)m P—O(CH2CH2O)nCH3 O(CH2CH2O)nCH3 PEP系列，Mw= 1347~5414Ute reØ 与电极材料界面相容性好 Ø 热安全性好 Ø 离子电导率高dO=O=PEP系列exo-3.04.41×10-5 S/cm at r.t. 6.05×10-4 S/cm at 80℃PEP600-3-3.5Heat FlowPEP400-4 PEP400-3 PEP400-2 PEP200-4 PEP200-3 PEP200-2 PEP200-1 -50 0 50Olog(s S/cm)PEP600-2-4.0100iste re-4.5 -5.0 2.8 2.9PEP200_1 PEP200_2 PEP200_3 PEP200_4 PEP400_2 PEP400_3 PEP400_4 PEP600_2 PEP600_3d3.0 3.1-1PEP-5% LiClO4Temperature( C)1000 900 800 7003.23.33.4nR egFresh After 480 hrs1000/T(K )100-Z''(Ohm)600 500 400 300 200 100 0 0Li|聚合物电解质|Li 偏压为10mV，25℃ 电解质膜厚度～360μm806040界面阻抗Ri Li|聚合物电解质|Li 偏压为10mV，60℃ 电解质膜厚度～360μmURi (W)20050 100 150050100150200250300350400Z'(Ohm)Time (h)20200300400500Temperature (O C)-70Ø热稳定性都达到了270℃0.100.150.200.000.020.040.060.080.106.07.08.09.010.0Potential / Vge0.0101214161820Cycle number枝化大分子增塑聚合物电解质Tg降低1.提升链端运动2.降低结晶度有利于锂离子的传导SM400 对PEO/LiClO 4热稳定性的影响U n Re g i st e r e dSM400有利于提高电导率deretsigeRnUIPN/LiClO 4SM400 -IPN/LiClO 4ØSM400-IPN/LiClO 4热分解温度均高于250℃.ØSM400 的加入对热稳定性的降低低于30°CSM400 -IPN/LiClO 4全固态电解质的热稳定性Un Re gi s t er edØ液态组成：EC/DMC=1:1，1M LiPF 6Ø最高电导率：2.28×10-3S cm -1SM400-IPN 连续凝胶电解质Un Re gi st er edSM400-IPN-(EC/DMC/LiPF 6)凝胶电解质热稳定性Ø分解温度高于150o C Ø比液相分解温度提高60 o C有机大分子增塑电解质Un Re gi st er edderetsigeRnUUn Re gi st er ed实用化聚合物电解质的发展路径改善综合性改善操作性改善安全性改善电导率聚合物/隔膜多层复合聚合物接枝复合隔膜凝胶态聚合物全固态聚合物聚合物基体电解质优化复合结构优化小结UnRegistered12Ah 三元材料电池25cm ，8cm ，0.4cm250 mmUn R电池过充电试验：20V，0.5CRAfter test电池满电态150℃热箱试验•After test可以把电池本身做成具有安全性Un Re结论•为了平衡聚合物电解质的“电性能”和“安全性”，实现聚合物电解质的实用化，我们走过了从固态电解质到凝胶电解质，最后是复合电解质；•电池短路放热占较大比例，隔膜对电池安全性很重要；•电解质发生放热反应是电池热失控的主要内部产热源，聚合物电解质可以减缓电池放热。
•复合电解质即满足电池的电性能，有可以大幅度提高电池安全性。
Un Re gi st er ed致谢首先感谢我们这个团队感谢基金支持：科技部“973”：2011CB935902,2011CB711202, 2013CB934000科技部“863”：2011AA11A257，2013AA050903，2011AA11A254科技部“国际合作”：2010DFA72760清华大学：2010THZ08116, 2011THZ08139,2011THZ01004 ,2012THZ08129，2011THZ23152汽车安全与节能国家重点实验室重大项目：ZZ2012-011感谢:范守善老师、欧阳明高老师、田光宇老师LG 化学、三菱重工、BMW 、富士康U n Re g i s t er ed。