专栏名称: 储能科学与技术

《储能科学与技术》是化学工业出版社主办的储能领域唯一中国科技核心期刊，全球公开发行，力求全面关注储能最新科技产业动态。联系方式：www.energstorage-journal.com；[email protected]；64519601。

《储能科学与技术》推荐|陈国贺等：锂离子电池热失控传播特性及其抑制策略研究进展

储能科学与技术 · 公众号 · · 2025-02-21 17:05

正文

作者： 陈国贺 1,2 吕培召 1,2李孟涵 1,2饶中浩 1,2

单位： 1. 河北工业大学能源与环境工程学院，先进储能技术与装备河北省工程研究中心；2. 河北工业大学能源与环境工程学院，河北省热科学与能源清洁利用技术重点实验室

引用： 陈国贺, 吕培召, 李孟涵, 等. 锂离子电池热失控传播特性及其抑制策略研究进展[J]. 储能科学与技术, 2024, 13(7): 2470-2482.

DOI： 10.19799/j.cnki.2095-

4239.2024.0091

本文亮点： (1) 综述了电池热失控放热升温特性和排气燃烧特性；(2) 综述了热失控传播路径，热失控触发方式、电池模组结构和环境等因素对电池模组中热失控传播的影响；(3) 综述了不同电池热管理技术对热失控及热失控传播的抑制效果。

摘要锂离子电池以其能量密度高、生命周期长和自放电率低等优点，被广泛应用于电动汽车、储能电站等诸多领域。近年来，锂离子电池安全事故频发，尤其是高比能锂离子电池的安全性，是制约其发展的瓶颈问题。锂离子电池热失控机理、热失控传播特性、抑制热失控传播策略等是提高电池安全性的重要研究领域。因此，本文介绍了锂离子电池热失控的链式放热副反应导致电池内部产热、升温、产气及排气过程，分析了锂离子电池热失控过程热量在电池模组中的传播路径，总结了热失控触发方式、电池连接方式、电池排列方式、环境条件、电池正极材料、电池充电倍率、电池间距和电池荷电状态等因素对电池热失控传播特性的影响，重点分析了空气冷却、液冷板冷却、浸没式冷却、相变材料、高导热材料、隔热材料和多种热管理技术组合等策略抑制锂离子电池的热失控传播的效果。在此基础上，本文对锂离子电池热失控传播机理、仿真和抑制策略提供了方向和思路，对提升锂离子电池的安全性，促进电化学储能技术的发展与应用具有重要意义。

关键词热失控；热失控传播；电池热管理；锂离子电池

能源短缺与环境污染是亟待解决的热点问题。提高可再生能源的消纳比例是缓解能源危机、解决环境问题的重要措施。锂离子电池具有高能量密度、长生命周期和低放电率等优点，在电动汽车和储能电站等领域得以广泛应用，从而能有效提高可再生能源的利用比例。然而，近年来锂离子电池安全事故频发，电池热失控引起的火灾和爆炸严重威胁人们的生命财产。因此，研究锂离子电池的热失控机理、热失控传播特性以及热失控抑制策略对提高锂离子电池安全性，促进锂离子电池电化学储能技术发展具有重要意义。

本文首先介绍了锂离子电池热失控的链式反应，热失控传播导致电池模组或电池包内其余电池发生热失控，总结了热失控传播的路径，以及电池触发方式、电池连接方式、电池排列方式和环境条件等因素对电池热失控传播影响特性。通过对热失控传播抑制策略及其研究进展进行总结，能够有效为抑制锂离子电池热失控及其传播过程提供方向和思路，对促进锂离子电池安全性具有指导意义。

1 锂离子电池热失控

锂离子电池内部链式放热副反应被触发后，电池温度逐渐升高，并最终诱发电池热失控。以三元锂离子电池[Li _x (Ni _0.8 Co _0.15 Al _0.05 )O ₂ -graphite]的热失控链式放热副反应为例，具体反应过程包括：负极固体电解质界面(solid electrolyte interface, SEI)膜分解、电解质溶剂与负极中的插层锂反应、正极电解质界面层(cathode electrolyte interface, CEI)分解、正极分解释氧与电解液溶剂反应、正极分解释氧与负极反应、内短路放热反应、电解液(LiPF ₆ 等)分解产物与负极之间的反应，正极和黏结剂之间的反应等。此外，热失控具有三个特征温度，自产热起始温度( T ₁ ，温升速率大于0.02 ℃/min，一般由SEI膜分解导致)，热失控触发温度( T ₂ ，温升速率达到1 ℃/s，隔膜受损内短路反应/负极表面析锂/正极材料释氧导致)和最高温度( T ₃ )。此外，热失控过程中，链式反应产生的高温气体会导致电池内部压力过大，当电池内部压力大于电池排气阀临界压力后，包含固-液-气三相的混合物从电池内向外喷发。气体喷射产物主要含有二氧化碳(CO ₂ )、一氧化碳(CO)、氢气(H ₂ )、碳氢化合物和电解质蒸气等，其中大多是可燃物。固体颗粒中C(碳)为主要元素，是火灾的重要点火源。

2 锂离子电池热失控传播路径及其影响因素

锂离子电池单体的热失控引起其他电池单体发生热失控的现象为电池热失控传播。为了揭示热失控传播路径，并充分了解影响热失控传播特性主要因素，国内外学者进行了大量研究，以期对电池模组到电池系统的安全设计提供技术支持和理论指导。在本节中，介绍了锂离子电池模组中传热路径，总结了热失控触发方式、电池模组结构和环境条件等主要因素对热失控传播特性的影响。

2.1　锂离子电池热失控传播路径

热失控传播传热路径包括通过电池外壳和连接器的热传导、通过高温气体的热对流以及通过火焰和热失控电池表面的热辐射。Song等发现超过75%的链式反应热量用于加热电池本身，大约20%的链式反应热量通过喷射物带走，而小于10%的链式反应热量会引发相邻电池进入热失控。对于间距为2 mm的圆柱电池，如图1(a)，加热器功率越大，电池之间辐射传热比通过空气对流热更重要。在无间距的方形电池模组中，如图1(b)，Feng等发现通过电池连接器传递的热量约为通过电池外壳传递热量的1/10，引发相邻电池热失控所需要热量主要为通过电池壳体的热传导。对于电池模组中的侧板，热量从热失控电池传导到侧板，约40.8%的热量通过侧板流入相邻电池。在半封闭空间中，如图1(c)，顶板限制了火焰形状，使火焰对电池的辐射热通量得到增强。在密闭空间中，如图1(d)，氧气供应不足导致可燃气体的燃烧效率低，而高温过热气体的积聚增强了气体对电池的对流换热量。

图1 热失控传播路径。 (a) 间距 2 mm ，加热器诱导电池热失控的传热路径； (b) 串联的方形电池模组的传热路径； (c) 半封闭空间中的顶板的传热路径； (d) 封闭空间中的传热路径

2.2　锂离子电池热失控传播影响因素

2.2.1　热失控触发方式

如图2，热失控的触发方式影响热失控的传播特性。锂离子电池热失控触发方式包括机械滥用(针刺、挤压等)、电滥用(外部短路、过充电、过放电等)和热滥用(高低温环境、侧向加热等)，且GB 38031—2020中推荐了针刺和侧向加热两种触发方式作为热失控传播实验的可选方法。Jin等研究了7种加热功率对电池模组热失控传播特性的影响，研究发现，预热效应是加速热失控传播的主要原因。Lai等对比了针刺、过充和加热三种触发方式下电池模组的热失控传播特性，研究表明，在热失控传播初期，热失控传播时间和触发温度差异明显，然而，在热失控传播后期，这些差异会逐渐消除。此外，电池的正极材料、充电倍率、电池间距和荷电状态等因素在热失控触发方式中影响热失控传播特性。Sch

berl等对比NCM811和LFP正极的电池热失控传播特性，热失控通过针刺触发，研究表明，NCM811电池模块的传播速度比LFP模块的传播速度快5倍。Hu等研究了不同充电倍率(0.5C/1C/2C/3C)对热失控传播特性的影响，热失控通过加热器加热触发，研究表明，随着充电倍率的提高，电池模组的热失控传播时间明显缩短。Zhu等研究了10 Ah的NCM软包电池在不同荷电状态SOC(state of charge，荷电状态)和间距下对热失控传播特性的影响，热失控由加热器加热触发，研究表明，热失控的传播时间随着SOC的增加或间距的减少而缩短，SOC对热失控喷射行为的影响大于电池间距。

图2 热失控触发方式

2.2.2　锂离子电池模组结构

2.2.2.1　电池连接方式

多个电池单体按照串联、并联或串并联的方式组合成为了电池模组。串联(S)为热失控传播提供了导热途径，并联(P)为热失控传播提供了导热和导电途径。电池连接方式影响热失控的传播特性。如图3(a)所示，Lamb等在圆柱形电池模组中对比了10S1P和1P10S两种连接方式下的热失控传播特性，电池热失控由针刺触发，研究表明，圆柱电池由于接触有限而不易热传导，10S1P电池模块内没有发生热失控传播，而1S10P电池模块在电池触发热失控后几分钟内发生了热失控传播，并联连接导致了更强的传播。如图3(b)所示，Niu等研究了具有3 mm间隙的线性排列的18650圆柱形电池上的热失控传播特性，电池热失控由加热器加热触发，研究表明，与开路模块相比，平片连接可能导致外部短路，加速热失控传播，非平片连接更容易引发爆炸。如图3(c)所示，Xu等使用12个没有连接的电池及具有3P4S和4P3S连接的模块进行了热失控传播实验研究，研究表明，在三组实验中热失控的传播速度先降低后加快，不同实验之间具有相似的最高温度和热失控传播时间表明电力转移对传播影响不大，软包电池间大面的热传导是热失控传播的主要传热路径。Huang等在电池单体间距3 mm的方形电池模组中研究了不同连接方式对热失控传播特性的影响，研究表明，开路、串联和并联三种的热失控传播时间平均值分别为618 s、512 s和391 s。

图3 电池连接方式 (a) 圆柱电池的 10S1P 和 1P10S 对比； (b) 圆柱电池中的两种连接片； (c) 开路、 3P4S 和 4P3S 三组实验对比； (d) 并联对热失控的影响

此外，并联影响了电池的热失控特性，如图3(d)所示，Zhou等研究了并联对电池热失控的影响，研究表明，并联电池间传输的电力导致热失控过早发生，并联电池的局部热失控首先发生在电池极耳附近的区域，然后传播到整个电池。

2.2.2.2　电池排列方式

纵向排列是锂离子电池常见的排列方式，下层热失控电池主要通过高温烟气的热对流和射流火焰的热辐射影响热失控在纵向上的传播。如图4(a)所示，Fang等研究了垂直间距和SOC对热失控传播的影响，研究表明，下部热失控电池产生的火焰主导了传热，增加垂直间距或减少SOC会减缓热失控的传播。如图4(b)所示，Zhou等在不同连接方式的电池模块中研究了水平和垂直热失控传播行为，研究表明，下部电池模块电池单体依次经历热失控，而上层模块多电芯同时发生热失控，且上层模块的最高温度高于下部模块。对于电池模组间的热失控传播，如图4(c)，Wang等研究发现，电池系统表现出三种热失控传播模式：顺序传播、同步传播和倒序传播三种模式，其中同步传播对电池造成的损坏最严重。

图4 电池排列方式 (a) 圆柱电池的垂直排布； (b) 方形电池的水平和垂直排布； (c) 电池模组垂直方向上的排布； (d) 电池的线性和砖形排布

此外，电池的排列设计可以提高系统的安全性。如图4(d)所示，Wang等研究了两种电池模块配置的热失控传播特性，研究表明，与线性排列相比，砖形排列可以提高系统停止热失控传播的能力。

2.2.3　环境条件

随着锂离子电池越来越多地应用在高原、飞机和航天器等低压场景，低气压下的电池安全已成为一个新话题，环境温度也会影响热失控的传播特性。对于单体电池热失控，低大气压可以延长电池的着火时间，降低电池燃烧强度，如图5(a)，随着环境压力的降低电池表面温度大幅下降。对于热失控传播，Liu等研究了18650电池(正极材料NCM523)环境压力(0.1~100 kPa)对热失控传播的影响，研究表明，如图5(b)所示，电池模组在开路下热失控传播速率随环境压力降低而减小；电池模组在并联下，如图5(c)所示，随着环境压力的降低，热失控传播速率首先增加到最大值，然后略有下降，环境压力在60 kPa(环境温度在33 ℃)时，热失控传播时间最短。Jia等对比了分析了两种正极材料18650电池模组在95、70和35 kPa环境压力条件下的热失控传播行为，如图5(d)所示，研究发现，环境压力的降低促进了LFP模块的热失控传播，但对NCM523模块有抑制作用。进一步研究不同材料的锂离子电池在低压下的热失控传播特性，将有助于增加锂离子电池在应用中的安全性。

图5 环境因素 (a) 环境压力对电池单体表面温度的影响； (b) 电池开路下，电池热失控传播速率； (c) 电池并联下，热失控传播速率； (d) LFP 和 NCM523 的热失控传播速率

3 锂离子电池热失控传播抑制

锂离子电池对温度非常敏感，为了确保电池以最佳性能运行，单体电池温度范围要求在15~40 ℃，单体电池之间的最大温差不超过5 ℃。电池热管理系统严格控制了电池的温度，并保证了锂离子电池能够以最佳性能运行工作。基于电池热管理系统对电池温度的控制，研究人员开展了电池热管理系统抑制热失控传播的研究。如图6所示，本节总结了空气冷却、液体冷却、相变材料、其他(高导热材料和隔热材料)及组合热管理技术对热失控传播抑制的影响。

图6 热管理抑制热失控传播 (a) 空气冷却； (b) 液冷板冷却； (c) 浸没式冷却； (d) 相变材料； (e) 高导热材料； (f) 气凝胶隔热材料； (g) 风冷与浸没式液冷的组合； (h) 相变材料、气凝胶和液冷板间的组合； (i) 相变材料和气凝胶的组合； (j) 高导热材料与气凝胶的组合

3.1　空气冷却

空气冷却以空气为冷却介质，具有结构简单、制造和维护成本低等优点。空气冷却通过空气的流动带走热失控电池的热量，但效率较低；另一方面，空气冷却可以削弱热失控电池排气后发生燃烧爆炸的风险。Wang等研究了纵风对热失控的影响，圆柱电池热失控由加热器加热触发，实验研究表明，纵风降低了电池温度及温升速率，且当风速超过4.5 m/s时电池排气后没有火焰产生。Wang等研究了通风率对热失控传播的影响，仿真研究表明，提高通风率可以减少排放气体的最大浓度从而减少气体爆炸的危险。

3.2　液体冷却

液体冷却是以液体为冷却介质，利用冷却液带走电池产生的热量，液体冷却的热管理效果优于空气冷却。根据冷却液与电池的接触方式可分为间接液冷和直接液冷。

3.2.1　间接液冷

在间接液冷系统中，冷却液不直接接触电池，而是通过在板中的流动间接冷却电池。液冷板系统可以带走热失控电池副链式反应热量，从而抑制热失控传播，但这将消耗大量的功。在抑制单体热失控时，如图7(a)所示，Mohammed等设计了一种内部交错布置导热针的液冷板，仿真结果表明，该冷板在电池正常运行及抑制电池热失控时的压降分别为75 Pa和54 kPa。如图7(b)所示，Xu等研究了微通道冷板对锂离子电池热失控的影响，仿真结果表明，流速在10 L/min时，微通道冷却系统仍然无法防止由针刺触发的热失控，但可以抑制热失控的传播。如图7(c)所示，Ke等研究了蛇形通道液冷对热失控行为的影响，实验研究表明，在冷却液流速达到96 L/h时，方可抑制热失控的传播。

图7 液冷板冷却 (a) 带有针肋的液冷板； (b) 微通道液冷板； (c) 蛇形通道液冷板； (d) 波浪形液冷管

此外，电池热失控触发后，液冷板系统快速反应有利于热失控传播的抑制。如图7(d)，Puneet等研究表明，电池触发热失控后，当系统将流速增加3倍(0.4 m/s)与增加1倍(0.2 m/s)相比，0.4 m/s的流速使热失控相邻电池的温度快速下降且峰值温度较低。

3.2.2　直接液冷

直接液冷也称为浸没式液冷。浸没液具有电绝缘、无毒、化学稳定性好等特点。浸没液既能够吸收热失控产热降低电池温度也能够抑制燃烧。Bai等研究了10#变压器油对热失控的影响，实验研究表明，125 Ah的LFP方形电池在1C过充电触发热失控后峰值温度达到280 ℃，而流动的变压器10#油抑制了热失控且该油温度低于50 ℃。Wu等研究了硅油对热失控传播的影响，研究表明，与液冷板冷却系统相比，即使硅油在没有流动的情况下硅油浸没冷却系统更好地抑制了电池热失控的传播。Zhou等研究了Novec 649对热失控传播的影响，实验研究表明，60 Ah的NCM622软包电池在过充触发后热失控表面温度达到183.9 ℃，与没有浸没的电池模组相比，浸没式冷却系统大幅降低了热失控电池温度，阻止了电池的燃烧，阻断了热失控的传播。

3.3　相变冷却

相变材料(phase change material，PCM)具有无额外能耗和维护成本低等优点。PCM能够吸收热失控电池的链式反应热，然而，有机PCM容易燃烧，被点燃的PCM会加剧热失控的火灾，扩大电池模块的火灾危险，这限制了有机PCM的进一步应用。对此，研究人员通过在有机PCM中添加阻燃剂抑制PCM的燃烧。在抑制热失控触发中，Dai等在石蜡中添加了氢氧化铝和氢氧化镁(1∶1)混合物阻燃剂，实验表明，该材料延迟了3.4 Ah的NCA 18650电池热失控触发时间401 s。Huang等在石蜡中添加了聚磷酸铵、磷酸和氧化锌(10∶9∶1)组成的复合阻燃剂，研究表明，该材料能够吸收和传递热失控电池的热量，有效抑制了热失控传播。Chen等在石蜡中添加了以磷酸铵、三聚氰胺和季戊四醇(10∶6∶3)混合的阻燃剂，该材料延迟了10 Ah三元软包电池热失控传播时间约90 s。

阻燃剂的使用虽然降低了无机PCM的可燃性，但限制了相变材料的潜热，并对材料的力学性能、PCM熔融和凝固相变温度产生影响。为此，研究人员在有机PCM表面添加阻燃涂层。Virendra等在PCM壁上引入了低导热率的热衬里涂层，研究表明，复合材料增加了电池热失控传播时间。Liu等实验表明，阻燃涂层在保持热物理特性的同时具有出色的阻燃效果。

此外，与有机PCM相比，无机PCM具有不可燃的特点。Cao等研究表明三水乙酸钠/膨胀石墨复合无机PCM抑制了2.6 A的NCA18650电池热失控的传播。Ping等合成了二氧化硅封装十二水磷酸氢二钠的材料，实验研究表明，该材料延迟了3.2 Ah的NCR18650单体热失控的触发495 s，并抑制了热失控的传播。

3.4　其他热管理技术

3.4.1　高导热材料

高导热材料作为电池之间的间隙材料，通过增强电池模组内的散热以减轻热失控传播。在小型电池模组添加高导热材料可以抑制热失控的传播，但大型的或高比能量的电池模组，高导热材料将导致重量、成本和体积的增加。Yuan等比较了空气、铝板、石墨复合板和铝挤压板四种间隙材料的缓解热失控传播效果，结果表明，石墨复合板可以防止热失控的传播，铝挤压板在抑制热失控传播方面表现最佳。Li等研究了铝板对缓解热失控传播的影响，研究表明，铝板的厚度、热质量及铝板与电池之间的接触热阻是抑制热失控传播的关键参数。Jinyong等研究了底部铝板对电池热失控传播的缓解效果，在相同热质量铝板下，使用底板有助于缓解1S5P模块的热失控传播，间隙侧板和底板的连接使热失控电池热量在系统的更大范围内散失，但在1S3P模组下，底板将对缓解热失控的传播没有帮助。

3.4.2　隔热材料

隔热材料作为电池之间的间隙材料，可以大幅度地延迟电池单体之间的传热，以减轻热失控传播。随着单体电池能量密度的提升，应同时关注隔热材料的低导热性和高温稳定性。Yang等以聚氨酯泡沫为基准材料，对比了增添阻燃剂、膨胀涂层、防火墙及三种耦合构成的复合材料的隔热性，研究表明，带有防火墙、膨胀材料和阻燃添加剂的聚氨酯泡沫完全缓解了热失控的传播。Yu等对比了气凝胶、聚酰亚胺泡沫和云母带复合绝缘棉的热失控传播抑制能力，结果表明，280 Ah的LFP方形锂离子电池热失控期间表面温度约515 ℃，在1 mm厚度下仅气凝胶成功阻止了热失控的传播。Liu等对比了陶瓷纤维气凝胶、玻璃纤维气凝胶、预氧化丝气凝胶和二氧化硅气凝胶的阻断传热性能，研究表明，7 Ah的LCO软包电池在3C过充触发热失控下表面温度达到590 ℃，低导热材料可以将受保护电池表面温度控制在200 ℃以下，预氧化丝气凝胶燃烧后没有明显的变形或熔化，保持了较强的保温隔热能力。Niu等通过中空玻璃微珠(hollow glass microspheres，HGM)、固化剂和阻燃剂混合制备了HGM板，研究表明，51 Ah的NCM811在热失控中表面温度为848 ℃，1.5 mm和2 mm厚的HGM板可以延缓热失控的传播，3 mm厚的HGM板可以成功阻断电池热失控的传播。Tang等通过溶胶-凝胶法制备了二氧化硅气凝胶片，结果表明，对于62 Ah的LiNi _0.86 Co _0.07 Mn _0.07 O ₂ /C高比能电池的表面温度超过800 ℃，二氧化硅气凝胶作为间隙材料(6.9 mm厚)，将通过的传热功率降低到68 W，成功抑制了热失控的传播。

3.5　热管理方式间的组合

在抑制热失控传播中，空气冷却效率较低，液冷板冷却需要大量的功耗，相变材料和高导热材料因需要体积较大而降低了系统能量密度，低导热材料无法满足电池正常运行的温控。为克服单一热管理技术的不足，研究人员将多种热管理技术组合起来，以期能够更好地抑制热失控的传播。

3.5.1　液冷板与相变材料/高导热材料/隔热材料的组合

《储能科学与技术》推荐|陈国贺 等：锂离子电池热失控传播特性及其抑制策略研究进展

正文

1 锂离子电池热失控

2 锂离子电池热失控传播路径及其影响因素

2.1 锂离子电池热失控传播路径

2.2 锂离子电池热失控传播影响因 素

3 锂离子电池热失控传播抑制

3.1 空气冷却

3.2 液体冷却

3.3 相变冷却

3.4 其他热管理技术

3.5 热管理方式间的组合

请到「今天看啥」查看全文