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【研究背景】

由于鋰離子電池（LIBs）對(duì)整個(gè)世界經(jīng)濟(jì)和技術(shù)發(fā)展出現(xiàn)了革命性影響，其發(fā)明者因此獲得2019年諾貝爾獎(jiǎng)。同時(shí)鋰離子電池正在迅速成為電網(wǎng)和電動(dòng)汽車(chē)能量?jī)?chǔ)存和動(dòng)力傳輸系統(tǒng)的重要組成部分，鋰離子電池的發(fā)展速度正在加快，它們?cè)谛⌒碗娮釉O(shè)備（如智能手機(jī)、平板電腦和電腦）、電動(dòng)化交通（電動(dòng)汽車(chē)）和大型儲(chǔ)能系統(tǒng)（電網(wǎng)）等方面得到廣泛應(yīng)用。預(yù)計(jì)未來(lái)十年全球鋰離子電池產(chǎn)量將持續(xù)上升，上升幅度為4倍到10倍的范圍（如圖1）。

圖1.未來(lái)十年鋰離子電池全球產(chǎn)量的預(yù)期上升。

材料性能的進(jìn)步提高了電池的比能量和動(dòng)力傳輸能力，因此有希望進(jìn)一步擴(kuò)大它們的用途。與此同時(shí)，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，在鋰離子電池從制造到工作再到資源回收的整個(gè)生命周期中，要繼續(xù)努力來(lái)提高LIBs的安全性。單個(gè)電池中的熱失控（TR）和電池間的熱傳播是導(dǎo)致鋰離子電池不穩(wěn)定的兩個(gè)潛在因素，可能會(huì)降低其熱安全性。TR發(fā)生在單個(gè)電池中，也可能會(huì)在多電池中傳播。TR傳播可導(dǎo)致爆燃、破裂和排氣，對(duì)設(shè)備和用戶(hù)造成嚴(yán)重后果。電池?zé)峁芾硎翘岣咴摷夹g(shù)整體安全性的一個(gè)重要方面，重要目標(biāo)是預(yù)測(cè)、預(yù)防和減輕LIBs中TR和電池間TR傳播兩種熱能效應(yīng)。但是大多數(shù)電池管理系統(tǒng)通常包括安裝在選定電池上的幾個(gè)熱敏電阻，以監(jiān)控它們的表面溫度，這種方法并不能跟上能量存儲(chǔ)和動(dòng)力傳輸能力的發(fā)展。

【成果簡(jiǎn)介】

近日，美國(guó)約翰斯·霍普金斯大學(xué)RengaswamySrinivasan教授（通訊作者）對(duì)鋰離子電池?zé)峁芾砉ぷ?，包括傳感器和直接測(cè)量電池內(nèi)部溫度的方法進(jìn)行概述。在這篇綜述中，作者基于原因分析和相關(guān)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)證據(jù)，表明電池中的熱失控和電池間的熱傳播是由于電池內(nèi)部物理和化學(xué)特性的不利變化造成的。追蹤電池內(nèi)TR前后變化，對(duì)電池間TR傳播的復(fù)雜途徑成功建模和繪制。防止TR和熱傳播的創(chuàng)新解決方法正在提出，其中包括用于快速監(jiān)測(cè)每個(gè)電池內(nèi)部狀況的現(xiàn)代電池管理系統(tǒng)，以及物理和化學(xué)方法，以減少TR情況下電池間熱量和物質(zhì)快速傳輸?shù)挠泻τ绊?。相關(guān)研究成果以“Review-ThermalSafetyManagementinLi-IonBatteries:CurrentIssuesandPerspectives”為題發(fā)表在JournalofTheElectrochemicalSociety上。

【核心內(nèi)容】

1.數(shù)學(xué)模型

通過(guò)更清楚地了解鋰離子的組成部分，使用各種數(shù)學(xué)和計(jì)算模型來(lái)更好地解釋熱安全性。這些包括對(duì)電池內(nèi)部在排氣和TR前后發(fā)生的個(gè)體反應(yīng)設(shè)計(jì)確定的模型，如多電池解決方法中電池設(shè)計(jì)和包裝結(jié)構(gòu)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模擬，可燃性極限和高通量篩選研究，將材料的實(shí)際信號(hào)與系統(tǒng)響應(yīng)聯(lián)系起來(lái)。同樣的，在系統(tǒng)中，使用反饋到電路模型參數(shù)的傳感器故障檢測(cè)，量化故障概率的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法，通過(guò)故障模式或類(lèi)似方法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，基于云端的故障診斷工具，以及跨越不同電池形式和化學(xué)物質(zhì)的趨勢(shì)。

但是預(yù)測(cè)TR存在一些關(guān)鍵問(wèn)題，包括其出現(xiàn)的頻率極低、缺乏對(duì)熱失控的一致含義，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的測(cè)試結(jié)果和現(xiàn)實(shí)情況不匹配，并且隨著電池測(cè)試物品的尺寸和復(fù)雜性的上升，用于測(cè)試的預(yù)算顯著新增。因此，機(jī)器學(xué)習(xí)或大數(shù)據(jù)分析等模式識(shí)別方法可以獲得有限的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，從而出現(xiàn)足夠信賴(lài)的結(jié)果。另一方面，即使在仔細(xì)控制了測(cè)試設(shè)置和操作人員的可變性之后，機(jī)械濫用測(cè)試結(jié)果的結(jié)果也不是一直確定的。這種情況下，分析系統(tǒng)級(jí)測(cè)試結(jié)果對(duì)特定設(shè)計(jì)參數(shù)的敏感性是非常有用的。從這些試驗(yàn)中獲得的參數(shù)的區(qū)間作為數(shù)學(xué)模型的輸入，并可用于建立安全圖，顯示由每個(gè)參數(shù)導(dǎo)出的故障概率的相互用途（如圖2）。

圖2.通過(guò)數(shù)學(xué)模型構(gòu)建的通用“安全圖”

2.智能電池管理系統(tǒng)（BMS）

BMS-iPROUD的概念示意圖如圖3所示，iPROUD的用途不僅接收來(lái)自BMS的信息，還通過(guò)雙向通信通道接收來(lái)自負(fù)載和電網(wǎng)的信息。iPROUD設(shè)備的目標(biāo)是調(diào)節(jié)電池從電網(wǎng)接收和存儲(chǔ)能量的速率，以及電池支持負(fù)載的速率。BMS具有每個(gè)電池的內(nèi)部狀態(tài)（如電壓、溫度、阻抗等）的傳感器，監(jiān)視和管理電池中的每個(gè)電池，并將這些數(shù)據(jù)輸入到iPROUD中。它使用這些數(shù)據(jù)將每個(gè)電池的內(nèi)部狀態(tài)與電池的功能性能聯(lián)系起來(lái)，并將數(shù)據(jù)與從負(fù)載接收的信息相結(jié)合，決定電池可供應(yīng)的電力支持水平。它對(duì)電網(wǎng)與電池的相互用途做出類(lèi)似的決定。假如BMS檢測(cè)到電池中任何一個(gè)電池的內(nèi)部狀態(tài)異常，那么iPROUD將不允許給異常電池模塊充電，直到電池狀態(tài)恢復(fù)正常。

圖3.與BMS協(xié)同工作的iPROUD原理圖

如圖4所示為快速充電的例子，利用電池內(nèi)部溫度來(lái)決定充電的過(guò)程。電池快速充電不僅方便了電動(dòng)汽車(chē)，而且在電網(wǎng)應(yīng)用中也是必不可少的。它也是一個(gè)操作參數(shù)，可以新增電池內(nèi)部溫度，潛在地加速電池老化，推動(dòng)它進(jìn)入TR和排氣。試圖使用表面溫度作為參數(shù)來(lái)保護(hù)電池不排氣可能會(huì)出現(xiàn)誤導(dǎo)，因此是有害的。圖4中的數(shù)據(jù)是由電池中的一個(gè)電池單元(5.3Ah)，開(kāi)始以接近2C的速率充電。這個(gè)例子中的電池通常以0.7C的速率充電，完全放電后大約要120min才能充滿(mǎn)。當(dāng)溫度提高到35℃以上時(shí)，iPROUD將電流轉(zhuǎn)換為零，使電池內(nèi)部冷卻，并在其他時(shí)間將充電速率限制在0.7C和0.5C，電池完全充電的總時(shí)間是95min。相反，假如選擇電池表面溫度作為參數(shù)，并將其限制設(shè)置為35℃以切斷電流，則溫度會(huì)新增到一個(gè)更高的值，會(huì)加速電池老化，導(dǎo)致電池?zé)崾Э?。iPROUD將溫度和電池電壓作為控制參數(shù)，通過(guò)電池的電解質(zhì)和電荷轉(zhuǎn)移電阻以及庫(kù)侖容量以改善電池管理，從而獲得更高的安全性、長(zhǎng)壽命以及能量存儲(chǔ)和動(dòng)力傳輸效率。

圖4.通過(guò)限制電池內(nèi)部溫度并將其作為充電過(guò)程中的控制參數(shù)之一，可減少25%的充電時(shí)間。在所示例中，5.3Ah電池的充電速度比推薦的速度更快，同時(shí)限制溫度小于35℃，電池電壓在4.2V。

【結(jié)論展望】

總而言之，鋰離子電池是目前最有效的能量存儲(chǔ)和動(dòng)力傳輸電化學(xué)系統(tǒng)，它們也是最難管理的系統(tǒng)，尤其是從熱安全的角度來(lái)看。市場(chǎng)需求推動(dòng)著鋰離子電池和電池制造以不斷上升的速度發(fā)展，越來(lái)越多的設(shè)備因電池故障而經(jīng)歷更大的火災(zāi)。為了防止火災(zāi)，鋰離子電池依賴(lài)于BMS，但大多數(shù)鋰離子電池的BMS設(shè)計(jì)都是仿照過(guò)去使用的NiCd電池、NiMH電池、鉛酸電池和其他水系電池設(shè)計(jì)，在這些電池中由于通風(fēng)、易燃的電解液而沒(méi)有風(fēng)險(xiǎn)。然而，鋰離子電池中發(fā)生火災(zāi)的機(jī)制是完全不同的，因此適用于水系電池的BMS設(shè)計(jì)不適用于預(yù)測(cè)鋰離子電池內(nèi)部的變化。針對(duì)鋰離子特定和以安全為中心的BMS設(shè)計(jì)所需的先進(jìn)技術(shù)已經(jīng)可用，工業(yè)和使用者都要認(rèn)識(shí)到這些事實(shí)，并采用當(dāng)今的傳感器技術(shù)和積累的科學(xué)知識(shí)來(lái)安全地管理現(xiàn)代電化學(xué)系統(tǒng)。

RengaswamySrinivasan?,PlamenA.Demirev,BlissG.Carkhuff,ShriramSanthanagopalan,JudithA.Jeevarajan,andThomasP.Barrera,Review-ThermalSafetyManagementinLi-IonBatteries:CurrentIssuesandPerspectives,JournalofTheElectrochemicalSociety,2020,DOI:10.1149/1945-07111/abc0a5