大容量动力电池热-电耦合热失效机理与三维动态建模研究

The size of the traction battery is becoming larger and larger, however, there is still no mature methodology for the thermal safety design of large format traction battery. This project tries to meet the emergent requirement for the safety technology upgrading of large format traction battery. Combining the spatial expansion effect and the time-variant characteristics of thermal failure, the project is dedicated to reveal the spatial thermal-electrochemical coupled thermal failure mechanism, based on which correlated 3D dynamic models are built. The project is organized according to the “Defect-Runaway-Propagation” timeline: 1) On the thermal defect, the mechanisms of the defect-induced thermal runaway, and of the thermal-electrochemical field deformation will be investigated. Correlated models will be further established. 2) On the thermal runaway, the mechanism of the mixed thermal decompositions for the porous electrode will be investigated, and an in-situ calibration method on acquiring the kinetic parameters for the mixed thermal decompositions will be proposed. The heat release mechanism of the thermal decomposition-internal short circuit coupled process will be studied and quantified by kinetic equation. A 3D dynamic thermal runaway model with thermal-electrochemical coupled process will be further built for large format traction battery. 3) On the thermal propagation, the mechanism on the formation and forward-moving of the thermal-runaway front will be studied, and a thermal runaway propagation model for large format battery module will be built. The project will contribute to revealing the thermal-electrochemical coupled heat release mechanism for the thermal decomposition reactions and the internal short circuit during thermal failure, and to quantifying the solid heat conduction process driven by the extremely high temperature gradient during thermal runaway. Modeling approaches on the 3D dynamic thermal failure models will be proposed and provide theoretical basis for the thermal safety design of large format traction battery.

大容量化是动力电池的重要发展趋势，目前大容量动力电池的热安全设计问题尚未有成熟的理论解决方案。项目面向大容量动力电池安全技术升级的紧迫需求，将空间尺寸效应与热失效时间过程相结合，研究大容量动力电池热-电耦合热失效机制并建立三维动态模型。项目拟沿“缺陷-失控-蔓延”的电池热失效时间主线展开：1）热缺陷方面，研究缺陷引发热失控以及缺陷引发热-电耦合场畸变机理并建立模型；2）热失控方面，研究多孔电极材料高温热分解混合反应动力学参数的原位测定方法，以及热分解-内短路的耦合释热机理，建立热失控的热-电耦合三维动态模型；3）热蔓延方面，研究热失控前锋面稳定形成与推进机理，建立大容量动力电池模组的热失控蔓延模型。项目拟揭示热失效过程中热分解反应与内短路的热-电耦合释热机理，以及热失控后瞬态高温差驱动的固态导热规律，提出对应的三维动态建模方法，为解决大容量动力电池热安全设计问题提供理论依据。

使用锂离子电池的电化学储能系统具有长寿命，低成本的显著优势，然而其热失效问题仍然危害着使用安全，电池储能系统的安全事故时有发生。储能用电池大容量化后，其局部缺陷点的生成，失效点触发的热失控及其扩散蔓延问题悬而未决。项目面向大容量动力电池安全技术升级的紧迫需求，沿“缺陷-失控-蔓延”的电池热失效时间线展开：1）热缺陷方面，研究缺陷引发热失控以及热-电耦合场畸变机理并建立模型。设计了光学微缩电池，观测到充电过程中锂沉积导致的内短路现象，揭示了电池自引发热缺陷的起源。电池热缺陷模型正在应用于储能电池系统的热缺陷检测与预警。2）热失控方面，研究多孔电极材料高温热分解混合反应动力学参数的原位测定方法，以及热分解-内短路的耦合释热机理，建立热失控的热-电耦合三维动态模型。建立了电池热失控反应时序图，总结了100余种电池热失控的共性特征，提出了电池热失控的三个特征温度，为电池安全评价提供了统一的标准。揭示了内短路与热失控之间的不等价关系，内短路占热失控总放热量的比例小于10%。3）热蔓延方面，研究热失控前锋面稳定形成与推进机理，建立大容量动力电池模组的热失控蔓延模型。热失控前锋面观测结果表明，前锋面推进速度在10-60mm/s之间。推导了热失控前锋面速度公式，发现了前锋面速度与热失控反应速率以及导热系数之间的1/2次方关系。基于电池模组的热失控蔓延模型，实现了热失控蔓延过程中失效能流的可视化绘制，模型正在写入ANSYS案例库，使用降维方法初次实现了0.1MWh级电池系统的热失控蔓延计算。项目研究成果总体揭示了具有空间分布的热-电耦合产热及瞬态高温差驱动的三维固态导热同时作用条件下，大容量动力电池内部温度场分布的动态发展规律，建立了高精度的热失控三维动态模型，为进行储能电池安全设计提供了理论基础与仿真手段。代表作发表在Joule（IF=29.155）上，Applied Energy论文入选ESI高被引论文，获得ABSC会议最佳报告，项目负责人入选中国科协青年人才托举工程。