动力电池热失控的诱发与扩展机制、模型及抑制方法

Thermal runaway prevention and battery safety management for the lithium ion power battery are the great problems that are in urgent need of solutions for the industry of renewable energy vehicle. With strong backgrounds of production-teaching-research and multidisciplinary, the applicant proposes this project, which will provide a comprehensive solution for the problem. Starting with the investigation on the mechanisms of the thermal runaway initiation and propagation, the project dedicates to seek solutions for thermal runaway prevention and safer battery management, including six key issues: 1) from the thermal runaway mechanisms and modeling to the interception of chain chemical reactions; 2) from the thermal runaway propagation mechanisms and modeling to correlated prevention design in the battery thermal management; 3) from the thermal runaway mechanisms in the battery life cycle to the estimation of the battery state-of-safety; 4) from the mechanisms and modeling of the auto-developing internal short circuit (ISC) to the model-based early detection of the ISC; 5) from the overcharge abuse mechanisms and modeling to model-based safe charging management; 6) from mechanical-electrical-thermal coupled mechanisms and modeling of battery crash to the optimal design of anti-collision. The project will answer four critical scientific questions: 1) the mechanisms and modeling of typical thermal runaway initiations; 2) the dynamic mechanisms and modeling of thermal runaway propagation within the battery pack; 3) the interactive mechanisms of the capacity degradation, the cell inconsistency and the thermal runaway behaviors for large format lithium ion battery under complex vehicular loads; 4) the electrochemical-model-based identification and prediction of the auto-developing ISC considering uncertainty. The project will reveal the multidisciplinary mechanisms of thermal runaway initiation and propagation, create a model database for all aspects of thermal runaway issues, and found a technology platform for designing a safer lithium ion power battery system with less potential of thermal runaway.

采用学研产结合的全创新链研究模式和多学科交叉的研究方法，从热失控发生/扩展规律和热失控诱发机制两方面着手，沿六条主线开展研究工作：1）热失控发生机制、建模及链式反应阻断设计方法；2）热失控扩展机制、建模及热管理系统设计方法；3）电池全生命周期热失控特性及安全状态估计方法；4）自引发内短路机制、建模及早期检测方法；5）过充电滥用机制、建模及充电安全管理方法；6）电池碰撞变形的机-电-热耦合机制、建模及车辆碰撞设计优化方法。进而解决四个关键科学问题：1)热失控诱发机制与机-电-热耦合模型；2)热失控扩展动力学机制及模型；3）复杂车载工况下电池老化与热失控抗性相互作用机制；4)基于电化学机理模型的内短路不确定演变过程辨识与预测。研究结果将揭示多种机-电-热滥用条件下的车载锂离子动力电池的热失控诱发与扩展机制，建立相应的机理模型库，并建立以抑制热失控为核心的车用锂离子动力电池安全管理关键技术平台。

电池安全问题是制约新能源汽车大规模推广的瓶颈技术问题，电池热失控是电池安全问题背后的核心科学问题。项目采用学研产结合的全创新链研究模式和多学科交叉的研究方法，从热失控发生/扩展规律和热失控诱发机制两方面着手，沿六条主线开展研究工作：1）热失控发生与抑制；2）热失控扩展与抑制；3）碰撞变形与优化设计；4）内短路检测与热失控预警；5）安全充电管理；6）全生命周期安全性评估。项目成果发表论文77篇，申请发明专利89项，具体来说：1）首创了大容量锂离子动力电池热失控量热测试与定量评价技术，提出了热失控的三特征温度，揭示了高比能量锂离子动力电池热失控机理，为动力电池正向安全设计提供了定量化的解决方案；2）突破了动力电池系统热失控高速瞬态全过程模拟仿真技术，实现了对热失控危害的快速模拟准确计算，为新能源汽车动力电池系统安全设计提供了高效的设计手段；3）揭示了动力电池单体不同加载工况下非均质化卷芯的损伤积累过程与失效模式，建立了电池模块及系统的挤压损伤模型，实现了综合考虑车辆碰撞安全性与整车轻量化的电池组防碰撞优化设计方案；4）揭示了热失控共性诱因——内短路的自引发演变机理，提出了自引发内短路模拟测试评价手段，开发了基于模型的实时故障诊断算法，实现了车载热失控的提前预警；5）开发了基于内部电位观测技术的锂离子动力电池快速安全充电技术，实现了安全充电裕度的合理界定，在保证无析锂风险的前提下，实现了动力电池充电曲线的快速标定。6）揭示了不同老化路径对电池热失控特性的影响规律，研制了电池系统全生命周期安全评价模型。研究结果揭示了多种“机-电-热”滥用条件下锂离子动力电池的热失控诱发与扩展机制，建立了相应的机理模型库，研发了以抑制热失控为核心的车用锂离子动力电池安全防控关键技术平台。研究成果广泛应用于国内外新能源汽车企业，签订了20余项横向技术研发协议，金额总计5500万元，为新能源汽车行业的安全健康发展作出了贡献。