摘要：鋰離子電池作為新能源汽車的重要動力源，因其能量密度較高、循環(huán)壽命長的特點而被廣泛應用，然而頻繁的電池起火與熱失控問題制約了電動汽車的發(fā)展，為解決鋰電池熱失控問題，研究電池熱失控機理，對鋰電池熱失控的概念及機理、影響因素進行分析；闡述了熱失控過程中的化學反應、熱量傳遞機制，并通過實驗和理論分析，提出了單體電池、鋰電池內短路及過充狀態(tài)下熱失控相應的預防和控制策略；建立了數(shù)學模型計算電池溫度以防熱失控發(fā)生，為提高鋰電池的安全性提供了理論支持和實踐指導。

關鍵詞：鋰電池;熱失控；熱防護；安全預警；控制策略

中圖分類號：TQ150文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）01-0134-04

Research on thermal runaway of lithium-ion batteries for new energy vehicles

JIA Bingshuo，XU Jiyang，MENG Ni，XIAO Ru

（Shaanxi Polytechnic Institute，Xianyang 712000，Shaanxi China）

Abstract：Lithium batteries，as an important power source for new energy vehicles，are widely used due to their high energy density and long cycle life.However，frequent battery fires and thermal runaway problems have hindered the development of electric vehicles.In order to solve the problem of thermal runaway of lithium battery，the mechanism of thermal runaway of lithium battery was studied，and the concept，mechanism and influencing factors of thermal runaway of lithium battery were analyzed.The chemical reactions and heat transfer mechanisms in the process of thermal runaway were elaborated，and through experiments and theoretical analysis，corresponding prevention and control strategies for thermal runaway in single cell and lithium battery internal short circuits and overcharging states were proposed.A mathematical model was established to calculate the battery temperature to prevent thermal runaway，providing theoretical support and practical guidance for improving the safety of lithium batteries.

Key words：lithium batteries；thermal runaway；thermal protection；safety warning；control strategy.

鋰離子電池作為新能源汽車的重要動力源，能量密度較高、循環(huán)壽命長，能為其提供可靠續(xù)航保障[1]。所以無論是緩解能源壓力，還是改善環(huán)境質量，新能源汽車與鋰離子電池都有著不可或缺的必要性。

然而，鋰離子電池在遭遇一些常見熱失控誘因：例如高溫、外部碰撞、穿刺、過充過放以及內短路等問題，會使得電池內部溫度急劇上升進而引起電池冒煙、起火甚至爆炸等問題，給人民財產和生命帶來了極大的威脅。因此，深入了解并研究鋰電池熱失控的機理并提出較為有效的預防和控制措施，能夠為鋰電池的安全使用提供有力保障。

1鋰電池熱失控機理分析

1.1鋰電池結構與工作原理

鋰離子電池內部主要由正負電極、電解質及隔膜組成。磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鈷酸鋰、三元材料等為常見的鋰電池正極材料；負極在電池工作過程中肩負著電子和鋰離子搬運的使命，通常是由類似石墨結構的碳組成[2]；電解質是一種化學性能穩(wěn)定、導電性極佳的有機溶液，它給正負極之間的鋰離子移動提供了環(huán)境；隔膜能夠將正負極隔開，以此防止短路現(xiàn)象出現(xiàn)[3]。鋰離子電池的充放電工作可以看作是鋰離子和電子在正負極之間不斷地進行著可逆嵌入和脫出[4]。放電過程中鋰離子從負極材料中脫出，充電過程與放電過程相反，此時鋰離子穿過電解液和隔膜到達負極并嵌入，外部電路中電子從正極流向負極[5]。

鋰離子電池充放電過程可以由以下反應式來表示：

式中：LiMOn表示常用的鋰金屬的氧化物。

1.2熱量傳遞機制

鋰離子電池正常工作過程中主要通過熱傳導、熱對流以及熱輻射三種方式進行熱量傳遞。

熱傳導是鋰電池內部及與外部接觸時熱量傳遞的重要方式。在電池內部，正負極材料、隔膜以及電解液等各組件相互接觸，當局部產生熱量時，會通過這些物質的分子振動，將熱量從高溫區(qū)域傳向低溫區(qū)域[6]。其熱傳導方程可以表示為：

式中：T為溫度；t為時間；α為熱擴散系數(shù)。

熱對流則與電池所處的環(huán)境密切相關。當電池工作時，周圍如果有空氣或者冷卻液等流體介質，熱量會以對流的形式傳遞出去[5]。

熱輻射是一種無需介質的熱量傳遞形式。鋰電池在工作過程中，自身會以電磁波的形式向外輻射熱量，不過在常規(guī)環(huán)境下，相較于熱傳導和熱對流，熱輻射傳遞的熱量占比相對較小，但在高溫等特殊工況下，其影響也不容忽視。根據(jù)Stefan-Boltzmann定律，熱輻射功率為：

式中：ε為表面發(fā)射率；σ為Stefan-Boltzmann常數(shù)；A為材料表面積。

1.3鋰電池熱失控機理

熱失控，通俗講指的是電池內部急劇升溫并出現(xiàn)失去控制的情況，具體的當鋰離子電池遭遇高溫、針刺、內短路、過充或過放等因素時，自身溫度迅速上升的同時并伴隨一系列放熱反應，出現(xiàn)電池產熱量遠遠大于散熱量，進而引起冒煙、起火或爆炸的現(xiàn)象稱為鋰電池的熱失控[6]。引起鋰離子電池熱失控的具體原因如下：

（1）內部短路。由于隔膜破損、雜質嵌入等原因造成電池內部正負極直接接觸，進而引發(fā)內部短路的問題[7]。內短路是引發(fā)電池熱失控的最主要原因之一；

（2）過充過放。過充時，鋰枝晶會在鋰離子負極表面沉積，大量沉積的鋰枝晶會刺穿隔膜導致電池短路[8]。過放時電極結構可能會遭到破壞，活性物質分解，也可能引發(fā)熱失控；

（3）外部環(huán)境因素。高溫環(huán)境、電池外殼受損、充電器不匹配等外部因素，也可能引發(fā)熱失控；

（4）電解質分解。高溫下，電解質會發(fā)生分解反應，產生可燃性氣體，增加了電池內部的壓力和火災風險；

（5）電池老化。鋰電池性能隨著使用時間的增加逐漸下降[9]，其內部電極材料出現(xiàn)老化問題，使熱失控的可能性上升。

另外，電解液分解產生的可燃性氣體與氧氣發(fā)生燃燒反應，釋放大量熱量。綜上，鋰離子電池的熱失控行為總體上是因溫度過高引發(fā)的。

2鋰電池熱失控特性

2.1單體鋰電池熱失控分析

引起鋰離子電池出現(xiàn)熱失控的原因很多，一般的按照觸發(fā)形式的差異可以分為三類：分別為機械濫用、熱濫用以及電氣濫用[10]。機械濫用是指當鋰電池受到外界碰撞、穿刺或嚴重擠壓時從而引發(fā)電池熱失控的方式；熱濫用是指鋰電池處于過高溫度環(huán)境下或受到人為加熱而出現(xiàn)熱失控的形式；電氣濫用是指鋰電池由于內短路、過充或過放等原因出現(xiàn)熱失控的形式。鋰離子電池熱失控的三種觸發(fā)方式如圖1所示。

鋰離子電池發(fā)生熱失控的同時往往伴隨SEI膜分解、電解質分解、陽極陰極上的反應等一系列副反應發(fā)生[11]，具體可以表示為：

式中：Q表示副反應熱量總和；QSEI表示SEI膜分解釋放出的熱量；Qanode表示鋰電池插層上的Li與陽極溶劑發(fā)生反應釋放出的熱量；Qelectrolyte表示電解質分解所釋放的熱量；Q separator表示粘結劑分解釋放的熱量；Qcathode表示陰極分解所釋放的熱量。

2.2鋰電池內短路熱失控分析

2.2.1鋰電池內短路機理

內短路發(fā)生時，鋰電池內部溫度變化可以由下式表示：

式中：Cp為電池比熱容；m為電池質量；Qj為電池內部產熱量；A為電池表面積；H為換熱系數(shù)；TsTa為電池表面與環(huán)境的溫差。

此外Qj還可表示為Qj∫I2 Rdt，電池發(fā)生故障時其內部產熱量可表示為QQjQi，其中Qi為內短路產生的熱值。

鋰離子電池出現(xiàn)內短路問題時，其內部溫度會在短時間內急劇上升，因此可以通過監(jiān)測其內部溫度變化來判斷內短路出現(xiàn)與否[12]。

2.2.2內短路造成的熱失控特性

當鋰離子電池發(fā)生內短路時局部溫度迅速上升，此時就需要研究局部產熱功率和功率密度與熱失控的關系[13]。通過將5×109 W/m3的功率密度施加到一系列的短路半徑上面可以得到熱失控觸發(fā)時間與發(fā)熱半徑關系圖，如圖2所示。

由圖2可以看出，功率密度一定時發(fā)熱半徑越小，熱失控觸發(fā)時間越長，反之則越快。故可以通過減小接觸面積的方式來減緩熱失控的發(fā)生。

2.3鋰電池過充電熱失控分析

鋰離子電池內部的電化學反應熱、焦耳熱以及極化熱是電池正常充電過程中的熱源，一般這三種方式產熱量均很小且不會導致電池內部劇烈升溫[14]。然而，當鋰離子電池長時間處于過充電狀態(tài)時，正極會有大量鋰析出并嵌入負極，從而導致SEI膜增厚、內部電阻升高等系列問題，最終使鋰離子電池產生大量焦耳熱[15]。

在充分考慮到焦耳熱與極化熱影響的前提下建立鋰離子電池過充電熱失控模型，可以表示為：

式中：Q為發(fā)熱總量；Qrev為鋰電池極化熱；Qohm為焦耳熱；Qr為電池副反應熱；Qe為電池熱失控過程中內短路產熱量；Qdis為電池散熱量。另外，鋰離子電池過充電條件下電池電化學模型可以表示為：

式中：Vcathode（x）代表鋰電池陰極電位隨活化物質鋰含量x的變化而變化；Vanode（y）為陽極電位隨陽極中Lix C6含量y的變化而變化；I為過充電電流；rbat為鋰電池內阻。

2.4熱電耦合模型及過熱監(jiān)測

采用二階RC等效電路模型模擬鋰電池外特性，此模型可充分反映電池極化特點。電池溫度值由熱模型獲取，并傳遞至等效電路模型以獲得最優(yōu)二階RC參數(shù)、電池端電壓和電動勢。接著，將此時的參數(shù)代入生熱公式可以得出電池的產熱量數(shù)值，最后再利用電池熱模型計算出當前的電池溫度，這樣就實現(xiàn)了單體電池與等效電路熱電模型的耦合。單體電池模型耦合過程如圖3所示。

對相鄰單體電池間的熱量傳遞、交換形式及熱量散失情況進行深入分析，主要涵蓋以下方面：其一為熱傳導，也就是電池的熱量借助導熱設備傳導至冷卻裝置，最終實現(xiàn)熱量散失[16]。其二是不同單體電池之間的熱量傳遞過程。其三為電池與殼體之間進行的熱量交換。故而，電池模組的熱電耦合模型能夠表述為：

式中：C為電池比熱容；M為電芯質量；Q為電池產

熱量；Qc，j為單體電池間熱量傳遞數(shù)值；Tf，j為冷卻介質溫度；Ts，j為電池溫度；Ta為當前環(huán)境溫度；hl為對流換熱系數(shù)；h為電池殼體與外界換熱系數(shù)；Aa為電池與外界空氣的換熱面積；Ab為電池與冷卻液的換熱面積；Ml為冷卻液質量。

將等效電路模型參數(shù)引入電池熱模型，進而確定電池生熱量大小。通過計算得出單體電池溫度。依據(jù)此結果查找等效電路模型參數(shù)以實現(xiàn)耦合，構建電池組熱電耦合模型，借此模型來計算電池溫度，從而對電池內部溫度進行實時監(jiān)測，防止熱失控現(xiàn)象的發(fā)生。

3結語

電動汽車鋰電池熱失控成為亟待解決的問題，如何對電池內部溫度及熱失控進行精準計算是研究電池問題的重中之重。研究從鋰離子電池單體和電池模組入手，分析電池熱失控機理，基于單體電池、鋰電池內短路狀態(tài)以及過充電狀態(tài)下熱失控時溫度的異常變化數(shù)據(jù)，建立電池內部溫度監(jiān)測熱電耦合模型，從而對電池內部溫度進行實時監(jiān)測，防止熱失控現(xiàn)象的發(fā)生。

【參考文獻】

[1]饒蕾，黃鎮(zhèn)澤.鋰離子電池儲能技術研究進展[J].輕工標準與質量，2024（5）：118-119.

[2]趙家旺，周榮，朱永揚，等.電動汽車用鋰離子電池安全性研究[J].電源技術，2018，42（8）：1134-1135.

[3]薛靜杰，荊世博，陳露鋒，等.電力能源中鋰離子電池儲鋰性能技術提升探究[J].粘接，2022，49（11）：95-98.

[4]梅悅旎，屈雯潔，程廣玉，等.鋰離子電池正極補鋰技術研究進展[J].儲能科學與技術，2024，13（9）：1-14.

[5]朱學慢.鋰電池的熱失控研究[D].上海：上海海洋大學，2021.

[6]潘新鋒，邵長風，王小燕.車用鋰電池熱失控特性及其控制方法分析[J].時代汽車，2024（17）：145-147.

[7]耿莉敏，趙揚，高楠，等.鋰離子電池內短路形成機理及檢測方法綜述[J].汽車工程學報，2023，13（4）：481-495.

[8]潘斌，錢其峰，戴松元.鋰離子電池過充行為實驗研究[J].電源技術，2024，48（6）：1074-1082.

[9]FENG X，HE X，OUYANG M，et al.Thermal runaway prop?agation model for designing a safer battery pack with 25Ah LiNixCoyMnzO2 large format lithium ion battery[J].Applied Energy，2015，154（15）：74-91.

[10]李奎杰，周開運，詹銳烽，等.儲能鋰離子電池熱失控早期主動安全預警技術[J/OL].電氣工程學報，2024（8）：1-14.

[11]田曉鴻.石墨烯制備及其在新能源汽車鋰離子電池負極材料中的應用[J].粘接，2021，45（1）：183-186.

[12]劉兵.電動汽車鋰離子電池熱特性分析及液冷性能優(yōu)化[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學，2024.

[13]趙磊.局部高溫面熱源接觸下鋰離子電池熱失控特性研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學，2024.

[14]劉冬梅，王紅.鋰電池的壽命與插電式混合動力汽車能量控制研究[J].粘接，2019，40（9）：97-101.

[15]秦李偉，姜點雙，徐愛琴，等.鋰離子動力電池系統(tǒng)熱失控檢測原理及方案[J].汽車電器，2024（3）：17-19.

[16]王壯.電動膠輪車電池散熱特性研究與電池箱設計分析[D].太原：太原理工大學，2021.

（責任編輯：平海，蘇幔）