191115 电芯热失控过程分析

大容量锂电池模组过充热失控分析

AUTO TIME 135 NEW ENERGY AUTOMOBILE | 新能源汽车

1　引言

传统锂离子电池（Lithium-ion Batteries,LIBs)

含有大量可燃有机液态电解液，存在易泄露、

易腐蚀和可靠性低的问题[1]。当电池系统受

到机械冲击、过充、高温等情况都会引起电

池内部的短路，造成电池内部的热失控，进

一步造成温度和压力升高，最终引发严重的

燃烧或爆炸事故，这大大降低锂电池的安全

性能[2]。

动力电池常见的安全问题是过充热失控。

依据标准GB 38031-2020《电动汽车用锂离子

动力蓄电池安全要求》里的定义，热失控指

的是电池单体放热连锁反应引起的电池自温

升速率急剧变化的过热、起火、爆炸现象[3]。

国内外的研究团队针对动力电池的过充热失

控做了大量的研究试验。刘磊等人试验了软

包三元锂电池在不同充电倍率情况下的过充

电安全特性。试验结果表明，充电倍率越大，电池热失控越快，热失控时的最高温度越高，

危险性越高[4]。刘仕强等人在绝热环境下测

试锂电池过充时表征参数的变化。试验发现，

随着过充电量超出额定容量时，温升速率和

电压的变化趋势成线性升高[5]。Leising等人

对棱柱形 LCO锂电池进行过充测试，以阐明

过充反应的机理[6]。Belov等人研究了锂电池

的过充电行为，提出电池过充电时负极隔膜

表面来自正极的细微枝晶颗粒会造成微短路，

加速电池内部的副反应，造成电池热失控[7]。

现有的试验研究大多针对于电芯层级试

验，但在电池包中，只依靠大量的单体电池

串并联组成的结构，其安全性能比较低，同

时对热管理系统要求较高。利用模组结构，

对串并联的电芯合理布置，可以降低热失控

时热扩散的发生速率，提高电池管理系统的

热管理安全性。本文以大容量锂电池模组作

为研究对象，对其滥用条件下发生过充热失控的表征行为进行研究，分析试验过程中模

组电压、电流、温度等参数随时间的变化趋势，

对电池热失控进行预警。

2　锂电池过充热失控失效机理

锂电池热失控的原因及预防措施

锂电池热失控的原因分析及预防措施

对于锂电池热失控的研究，众多研究者一直都在不断深入研究，

以此来预防和降低锂电池在使用过程中的风险。以下锂电池的失控原

理也是一些研究者的看法。

一．热失控的原理分析

对于热失控的原理，分为了三个阶段：

第1阶段：热失控开始阶段：125℃左右，这个阶段是一般认为

是负极SEI膜反应分解，使得负极与电解液直接接触，从而导致了电

解液与负极中的锂反应并生成气体。

第2阶段：电池内部气体释放和升温加速，温度在125~180℃左

右，这个阶段正极材料分解释氧，锂盐也会分解，如LiPF6分解生成

LiF和路易斯酸PF5。而路易斯酸会在高温下与电解液反应产生大量

的气体。

第3阶段：热失控阶段，大约为180℃以上。在这个阶段正/负电

极材料与电解液发生盛剧烈的放热反应和电解液分解放热，

电池内部温度急剧升高，电池泄压阀打开或引发自燃。

也有研究者将热失控细分为如下范围：

一般动力电池的热失控有三个特征温度，起始发热温度

T1,热失控引发温度T2,热失控最高温度T3。T1:指的是SEI膜分解的温度，

T3:它取决于整个反应焓，T2:这个温度跟电池本身的状态，电池体系，

使用状态相关，这个温度会由一个缓慢的升热会突然引发急剧的升热，

这个生热速率可以达到几百到1000度/秒，这是引发热失控的关键。

通过一些研究发现，它主要有3个方面的原因，内部短路，正极释氧，

负极析锂。

二、热失控的原因分析

1、机械滥用

破坏性变形和位移是机械滥用的两个共同特征，在外力的作用下

导致的锂电池(电芯)发生形变，隔膜被破坏，正负极之间短路而诱发

热失控，比如挤压、碰撞、针刺等。

2、热滥用

比如长期使得锂电池在高温环境下工作，比如：外界高温环境，

大电流过程中使用产生的了很多的极化热、反应热、分解热等。

3、电滥用

锂电池过充电导致活性物质结构遭到破坏，电解液分解产气，导

致电池内部压强增大。除此之外，还包括过放电、大倍率(超过规格)

热失控测试步骤

热失控测试是一种测试电池安全性的方法，它可以模拟电池在极端情况下的表现，例如过热、过充、过放等。这种测试可以帮助制造商评估电池的安全性能，以确保其在使用过程中不会出现危险情况。下面是热失控测试的步骤：

1. 准备测试设备

需要准备一些测试设备，例如温度计、电池测试仪、电池充电器等。这些设备可以帮助我们监测电池的温度、电压、电流等参数，以及控制电池的充电和放电过程。

2. 充电测试

接下来，将电池放入测试设备中进行充电测试。在充电过程中，需要监测电池的温度和电压，以确保它们不会超过安全范围。如果电池温度过高或电压过高，需要立即停止充电并进行调整。

3. 放电测试

完成充电测试后，需要进行放电测试。在放电过程中，需要监测电池的温度和电压，以确保它们不会超过安全范围。如果电池温度过高或电压过低，需要立即停止放电并进行调整。

4. 温度测试

在充电和放电测试过程中，需要不断监测电池的温度。如果电池温度超过安全范围，需要立即停止测试并进行调整。此外，还需要进行温度循环测试，即将电池在不同温度下进行充放电测试，以模拟电池在不同环境下的表现。

5. 结果分析

完成测试后，需要对测试结果进行分析。如果电池在测试过程中出现了热失控等危险情况，需要进行改进并重新测试。如果测试结果符合安全要求，可以将电池投入生产和销售。

热失控测试是一项非常重要的测试，它可以帮助制造商评估电池的安全性能，以确保其在使用过程中不会出现危险情况。通过严格的测试和分析，可以提高电池的安全性能，保障用户的安全。

锂离子电池热失控过程温升速率

说到锂离子电池，咱们平常可离不开它，手机、笔记本、平衡车，甚至电动汽车，都在悄悄地靠它充电呢。你可能会觉得，锂离子电池挺靠谱的，充电快、续航长，可为什么总是听说它们“爆炸”啊、热失控什么的？你别小看这个“热失控”哦，别看名字听起来就像科幻电影里的情节，它可是有着很强的“现实感”。说白了，就是电池在某些情况下会因为温度升高，发生一连串的化学反应，搞得电池像是要发火一样，直接变成“热锅上的蚂蚁”，啥也控制不住了。

一旦锂电池发生热失控，温度就会飙升，速度那是杠杠的，简直比某些人做事时的冲动还要迅猛！我给你打个比方吧，想象一下你在家里做饭，锅里一开始煮的是水，没什么大不了的，可突然有一天你忘记开火了，水变得越来越热，锅底也跟着发烫，结果锅盖砰的一声就被冲飞了。其实锂离子电池也是类似的，它会经历一个温度逐步升高的过程，直到某个点，电池里的化学反应开始加速，压力骤然增加，连电池的外壳都可能会被炸裂，电池的内容物可能会泄露出来，甚至冒烟起火！说实话，简直让人有点头皮发麻，吓得你从椅子上跳起来。

那这个“温升速率”到底是什么鬼？简单来说，它就是锂电池在热失控过程中，温度上升的速度。这个速度可是一个非常重要的指标，因为温度上升得太快，电池就根本来不及散热，化学反应越加剧，后果就越严重。你可以想象，就像煮开水的速度，如果火候掌握得不对，水没多久就会溢出来，弄得一团糟。而在锂电池的世界里，热失控也是如此。它从电池内部的微小变化开始，温度一点一点地上升，直到最后爆发。至于这个过程有多快，嗯，不容小觑，最快的速度甚至会让你眼睛眨一下就错过了。

说实话，这个问题在一些高压、高能量密度的电池中更是个麻烦。你想想，电动汽车的电池可比我们日常手机电池大得多，电量也高得多。更有意思的是，电池一旦在温度过高的环境下工作，问题就会变得更加棘手。这可不是说把电池放在高温的太阳底下就完事了。你知道嘛，电池内部其实是有一定的温度限制的，超出了它的舒适区，它就会像个暴脾气的人，立马爆发。

电池热失控过程各物质的反应顺序

电池热失控过程是指电池因过度充放电、外部短路、过热等原因，导致电池内部发生剧烈反应，释放大量热能，不可逆转地破坏电池结构并威胁周围环境的过程。具体来说，电池热失控可分为三个阶段：加热阶段、过热阶段和自燃阶段。

加热阶段是电池开始释放热能的阶段，会导致电池温度升高。当电池内部开始加热时，各物质的反应顺序如下：

1.电解质：电解质是电池中起重要作用的化学物质，它在加热过程中首先会发生分解反应。电解质的分解会生成气体，增加内压，导致电池外壳膨胀。同时，电解质的分解也会引发其他物质的反应。

2.电极材料：电池的正负极材料会由于加热而发生反应。正极材料可能会氧化，释放氧气；负极材料可能会发生金属离子的溶解或反应，释放出电子。

3.电池容器：电池容器在加热的过程中也会发生变化。因为电解质的分解产生的气体压力增加，会导致电池容器的变形、膨胀。

过热阶段是电池内部温度进一步升高的阶段，此时各物质的反应顺序如下：

1.电池正负极材料：随着温度继续升高，电池正负极材料会继续发生反应。正极材料进一步氧化，负极材料溶解或反应的程度加剧。这些反应会进一步释放能量，引发电池温度的继续升高。

2.电解质：在过热阶段，电解质不仅会发生分解反应，还可能发生热分解。热分解会产生大量气体，增加电池内部的压力。 3.电池容器：在过热阶段，电池容器继续受热膨胀。如果容器无法承受内部压力，可能会发生破裂，导致电池内部物质的外泄。

自燃阶段是电池内部因过热而开始燃烧的阶段，此时各物质的反应顺序如下：

1.电解质：在自燃阶段，电解质可能会在高温下发生燃烧反应，产生火焰或大量烟雾。燃烧的电解质会产生毒性气体，对人体和环境都构成威胁。

2.电池正负极材料：当电解质燃烧时，电池正负极材料也可能开始燃烧。电池正负极材料的燃烧会产生高温火焰和大量有毒气体。

3.电池容器：在自燃阶段，电池容器会受到高温燃烧物质的侵蚀，可能会加速破裂，导致火焰蔓延。

锂电池热失控的过程

锂电池是目前应用最广泛的电池之一，其具有高能量密度、长寿命等优点，被广泛应用于移动电子设备、电动汽车等领域。然而，随着锂电池规模化应用的不断推进，锂电池热失控的问题也逐渐凸显。

锂电池热失控，是指在电池充电或放电时，由于电池内部产生的热量无法及时散发，导致电池温度不断升高，最终导致电池内部化学反应失控，引发火灾或爆炸等严重后果。

锂电池热失控的过程可以分为三个阶段：热失控前期、热失控加速期和热失控终止期。

热失控前期，是指锂电池内部开始出现局部过热现象，但尚未引发化学反应失控。此时，电池内部的高温区域会不断扩大，导致电池内部的化学反应速率加快，进而加剧内部温度的升高。如果此时不能及时采取有效措施，电池就会进入热失控加速期。

热失控加速期，是指电池内部的化学反应速率和温度同时急剧升高，电池内部的能量密度也会迅速增加。此时，如果电池内部的温度超过了一定的阈值，就会引发化学反应失控，导致电池发生爆炸或着火等严重后果。

热失控终止期，是指在化学反应失控后，电池内部的温度和压力会急剧升高，但随着电池内部能量的逐渐释放，温度和压力也会逐渐降低，最终趋于稳定。

为了避免锂电池热失控的发生，我们可以从以下几个方面入手：

1. 选择合适的电池材料和结构，以提高电池的耐高温性能和安全性能。

2. 加强电池的设计和制造过程控制，确保电池的质量和一致性。

3. 采用适当的充放电策略，以降低电池内部的温度和化学反应速率。

4. 配备有效的温度和压力监测系统，及时发现电池内部的异常情况。

5. 配备有效的安全保护系统，以避免电池热失控后的严重后果。

锂电池热失控是一个复杂的过程，需要我们从多个方面入手，才能有效避免电池的安全问题。随着电池技术的不断发展，相信我们能够找到更加有效的方法，保障电池的安全和可靠性。

电芯热失控检测方法

电芯热失控的检测方法主要包括热失控测试和针刺试验。

热失控测试是通过将电池包中的一块电池做成特殊电池模组，布置好温度传感器，选择其中一个电芯作为触发电芯，对其进行针刺或加热来触发热失控。判定条件为：监测点的温升速率dT/dt≧1℃/s（持续3秒以上），同时电压降超过初始电压的25%（或者监测点温度达到制造商规定的最高温度），观察其内部是否会出现蔓延以及电池包冒烟、自燃、起火等现象，从而测试整个电池包的安全性。

针刺试验则是将动力电池样品电量充电至90%以上，采用直径3-8mm的钢针，以一定的速度垂直于电池极片的方向贯穿样品，在针刺点附近布置温度传感器。样品发生热失控的判定条件为：监测点的温升速率dT/dt≧1℃/s（持续3秒以上），同时电压降超过初始电压的25%（或者监测点温度达到制造商规定的最高温度），观察其内部是否会出现蔓延以及电池包冒烟、自燃、起火等现象，从而测试整个电池包的安全性。

以上信息仅供参考，如需获取更多详细信息，建议咨询专业电池工程师或查阅电池相关书籍文献。

电池及电池模块安全性能讨论（二）：热失控

热失控对电池组带来很大危害，大多造成电池的爆炸、电池组的燃烧，而且其发生速度很快，乘客甚至来不及逃生。如何避免热失控的发生是电池系统研发的一个重要课题。

一、热失控分析

1、热失控中锂离子电池核心温度的变化

热失控的起因一般都是因为机械滥用、电滥用等导致短时间内产生大量热量,受到锂离子电池热扩散条件的限制,热量大量在锂离子电池内部积累,引起正负极活性物质分解、释放活性氧,进一步导致电解液的氧化分解,产生更多的热量,最终引起锂离子电池的热失控,因此对于锂离子电池安全性的控制也主要是基于对其温度的监控。

一般情况是对部分单体电池粘贴测温电阻、热电偶,实时检测电池温度,在发现异常时能够及时切断电源,保证电池的安全。但是温度监控主要是对其表面温度的检测,由于锂离子电池结构的特点使得其在各个方向上热传导系数有很大的不同,电池内外部实际温度有很大差别，并且此温度差别与电池的充放电倍率、电池形状、大小、荷电量等有比较大的关系。例如英国华威大学的Thomas Grandjean等针对大尺寸的方形锂离子电池的热特性研究发现,20Ah的LFP电池在进行10C大倍率放电时,在厚度方向时温差最大可达到20℃。

有效检测电池内部的实际温度，更够更早地预测电池可能发生的热失控，可以有效给对电池组的控制提供更多的时间，也给乘客以足够长的逃生时间。在解决此问题上人们作出了很多的努力,如在锂离子电池生产的过程中往其中加入测温热电阻、热电偶等,通过一定的手段将其引出到电池外部,但是这些方法的实用性都不是很好,首先是由于测温设备的引入难以保障电池的密封性,会对电池的性能产生负面的影响,其次这些测温元件都需要电连结,对锂离子电池的安全产生一定的影响,因此这些方法仅仅停留在实验室的阶段,难以实际应用。虽然也有美国阿尔托研究中心的Ajay Raghavan等提出采用可折叠的光纤光栅对电池内部的压力、温度进行检测,并且解决了密封问题,但是这些技术目前还都不成熟,实用性还都比较差。

锂电池热失控机理、原因分析及防护措施

热失控指的由各种诱因引发的链式反应现象，导致电池在短时间内散发出的大量热量和有害气体，严重时甚至会引起电池着火和爆炸。导致热失控发生的原因有很多，比如过热、过充、内短路、碰撞等。电池热失控往往从电池电芯内的负极SEI膜分解开始，继而隔膜分解熔化，导致负极与电解液发生发应，随之正极和电解质都会发生分解，从而引发大规模的内短路，造成了电解液燃烧，进而蔓延到其他电芯，造成了严重的热失控，让整个电池组产生自燃。

一、热失控阶段的划分

热失控的阶段的划分方法存在着不同的说法，核心应该是，跨越了哪个点，热趋势将无法逆转。有理论认为这个点是隔膜的大规模溶解。在此之前，温度降下来，物质活性下降，反应会减缓。一旦突破这个点，正负极已经直接相对，电芯内部温度不可能被降低，无法终止反应的继续了。

该理论将热失控划分为三个阶段，自生热阶段（50℃-140℃），热失控阶段（140℃-850℃），热失控终止阶段（850℃-常温），一些文献提供的隔膜大规模融化温度起始于140℃。自生热阶段，又被叫做热积累阶段，它开始于SEI膜的溶解。SEI膜在温度达到90℃左右的时候，其溶解现象就会被明显的观察到SEI膜的溶解，使得负极以及负极内包含的嵌锂碳成分直接暴露在电解液里，嵌锂碳与电解液发生放热反应，造成温度升高。温度的上升反过来促进了SEI膜的进一步分解。如果没有外部降温手段的作用，这个过程会滚动向前，直至SEI膜全部分解。

热失控阶段是指温度超过140℃以后，正负极材料都加入了电化学反应的行列，反应物质量的增加，使得温度的提升速度更快了。外部可以观测到的参数变化，是电压的急剧下跌，其过程被描述为：达到这个温度区间后，隔膜开始大量融化，正负极直接连通，造成大规模短路的发生。至此，热失控已经开始，不会再停下来。短时间内，剧烈的反应生成大量气体的同时生成大量的热，热量又给气体加热，膨胀的气体冲破电芯壳体，发生物质喷射之类的现象，四散的物质也带走了部分热量。热失控达到了最激烈的状态。最高温度也在这个阶段到达。如果周围有其他电芯，则在此阶段，通过把热量向周围传播，热失控可能向其他电芯蔓延。热量可能通过连接的导电件传导，也可能因为体积膨胀，原来保有间距的电芯，在此时已经彼此贴紧，电芯壳体之间直接传导热量。

电池热失控解决方案(3篇)

第1篇

一、引言

随着电动汽车、移动通信设备等产业的快速发展，电池作为关键能源载体，其安全性能日益受到关注。电池热失控是电池安全性的主要隐患之一，一旦发生热失控，可能导致电池燃烧、爆炸等严重后果。因此，研究电池热失控解决方案具有重要意义。本文将从电池热失控机理、现有解决方案及其优缺点等方面进行探讨。

二、电池热失控机理

电池热失控是指电池在充放电过程中，由于内部化学反应异常、材料缺陷、外部环境等因素，导致电池温度迅速升高，最终引发电池燃烧、爆炸等安全事故。电池热失控机理主要包括以下几个方面：

1. 内部化学反应异常：电池在充放电过程中，正负极材料与电解液发生化学反应，产生热量。当反应异常时，如活性物质脱落、界面反应失控等，会导致电池温度升高。

2. 材料缺陷：电池材料存在缺陷，如孔隙率过大、晶界缺陷等，会导致电池内部短路，产生大量热量。

3. 外部环境因素：电池在高温、高湿、高电流等恶劣环境下，容易发生热失控。

4. 设计缺陷：电池设计不合理，如电池结构、散热系统等，会导致电池在充放电过程中产生大量热量。

三、电池热失控解决方案

1. 材料改进

（1）正负极材料：选用高能量密度、高稳定性的正负极材料，如磷酸铁锂、三元材料等，降低电池内部反应产生的热量。

（2）电解液：选用低热稳定性、高离子电导率的电解液，降低电池内部电阻，减少热量产生。

（3）隔膜：选用高强度、耐高温的隔膜，提高电池的安全性。

2. 电池结构设计（1）电池包结构：采用模块化设计，将电池单元进行合理组合，降低电池内压，提高散热性能。

（2）电池散热系统：设计高效的散热系统，如水冷、风冷等，将电池产生的热量及时散发出去。

3. 电池管理系统（BMS）

（1）电池温度监测：实时监测电池温度，一旦发现异常，立即采取措施，降低电池温度。

（2）电池电压、电流监测：实时监测电池电压、电流，防止电池过充、过放，降低电池热失控风险。

（3）电池状态估计：根据电池电压、电流等参数，估算电池剩余容量、健康状态等，为电池安全运行提供依据。