非均匀高倍率放电作用下锂离子电池释热机理及热失控预测

热安全性仍是阻碍动力锂离子电池发展的主要瓶颈，是因为锂离子电池在高倍率放电过程中，会引起电池的升温蓄热，当热量积累到一定程度时，引起锂离子电池内部材料之间发生不可控化学反应，放出大量的热，最终导致电池热失控爆炸。本项目拟采用电池测试设备与量热仪联动的实验手段，研究钴酸锂和磷酸铁锂系列锂离子电池在非均匀高倍率放电情况下的瞬态产热机理，揭示锂离子电池随放电电流变化而变化的释热规律，建立耦合锂离子电池电化学过程的热模型。因锂离子电池爆炸是内热源非线性加热引起的热爆炸，故根据这一爆炸特性，通过合理假设，修正Semenov热爆炸预测模型，使其适用于预测锂离子电池在不同使用条件下发生热失控的临界温度。本项目的特色在于从量热学、传热学、电化学和热爆炸理论相耦合的角度，揭示锂离子电池发生热失控爆炸的动力学演化机制，为预防锂离子电池火灾爆炸事故提供新理论、新思路和新方法。

锂离子电池在高倍率放电过程中，会引起自身的蓄热升温，当热量积累到一定程度时，引起锂离子电池内部材料之间发生不可控化学反应，放出大量的热，最终导致电池热失控爆炸，因此锂离子电池的热安全性是阻碍动力锂离子电池发展的主要瓶颈。本项目采用绝热加速量热仪与电池循环仪联用实验手段，研究了钴酸锂、磷酸铁锂和三元体系锂离子电池在不同循环倍率下的产热规律、非均匀高倍率脉冲充放电条件下的产热规律；分析了锂离子在快速脱嵌迁移时的热力学特性，揭示了电池随放电电流变化而变化的产热规律；对锂离子电池热失控反应过程进行分峰处理，分析得到每个反应峰所代表的反应过程及其热力学参数。基于传热理论，将测定的锂离子电池在不同放电过程中的产热规律，作为热源项耦合到传热模型中，同时根据三维热模型中得到的瞬态温度场求解因电池温度升高而导致的化学反应、化学反应之间的相互诱发过程及其热效应等，建立了锂离子电池在非均匀高倍率等工况下的热失控模型，并验证了热失控模型的准确性；根据电池热失控过程的产热规律和Newton冷却定律，采用热爆炸理论分析了电池产热与散热之间的关系，从而提出了锂离子电池发生爆炸的Frank-Kamenetskii模型；对大型锂离子电池的火灾行为进行了初步探讨，首次发现了锂离子电池火灾多次射流火喷发的特殊现象，基于电极物质释放氧气的消耗产热、电极物质短路产生的焦耳热对电池的总产热进行了修正，研究发现电池荷电状态（SOC）越高，电池火灾过程中的产热、热释放速率（HRR）、质量损失越大。该系列研究成果为锂离子电池安全设计与大型电池的消防方案设计提供了技术支撑。.相关研究成果在Journal of Power Sources、Applied Energy、International Journal of Heat and Mass Transfer等期刊共发表论文16篇（均标资助；任务8篇），其中SCI收录11篇、EI2篇（含EI刊源；任务6篇），其中高影响区（1区和2区）论文6篇（任务3篇），ESI高被引论文1篇；项目负责人入选教育部新世纪优秀人才支持计划和中科院青年创新促进会，培养博士1名并入选欧盟玛丽居里学者，硕士4名；申请发明专利4项，授权实用新型专利1项；获国家安监总局第六届安全生产科技成果奖1项。