锂离子电池热失控研究热点与趋势_徐一丹.pdf

第 53 卷 第 2 期2023 年 4 月电池BATTERY BIMONTHLYVol.53,No.2Apr.,2023作者简介:徐一丹(1995-),女,山东人,浙江大学能源工程学院博士生,研究方向:电池热管理;俞小莉(1963-),女,浙江人,浙江大学能源工程学院教授,研究方向:汽车热管理,通信作者;刘海军(1977-),男,山东人,潍柴动力股份有限公司高级工程师,研究方向:系统可靠性;黄 瑞(1985-),男,浙江人,浙江大学能源工程学院研究员,研究方向:新能源车热管理。基金项目:浙江省自然科学基金(LQ20E060008),能源清洁利用国家重点实验室开放基金(ZJUCEU2022016)DOI:10.19535/j.1001-1579.2023.02.022锂离子电池热失控研究热点与趋势徐一丹1,俞小莉1,2,刘海军3,黄 瑞1,2(1.浙江大学能源工程学院,浙江 杭州 310013;2.浙江省汽车智能热管理科学与技术重点实验室,浙江 台州 317299;3.潍柴动力股份有限公司,山东 潍坊 261061)摘要:以锂离子电池热失控为核心的文献是目前新能源汽车发展领域的研究热点。以中国知网(CNKI)数据库及 Web of Science 核心集数据库中收录的相关文献为研究对象,运用 CiteSpace 软件和科学知识图谱,着重从领域研究进展、统计分析及前沿热点等多个角度进行探究。锂离子电池热失控的研究虽已取得大量的理论和实验成果,但安全性研究仍需向精确化、可靠化和智能化不断完善。关键词:锂离子电池;热失控;CiteSpace;研究热点;演变趋势中图分类号:TM912.9 文献标志码:A 文章编号:1001-1579(2023)02-0218-05Hotspots and trends in thermal runaway research of Li-ion batteryXU Yi-dan1,YU Xiao-li1,2,LIU Hai-jun3,HUANG Rui1,2(1.College of Energy Engineering,Zhejiang University,Hangzhou,Zhejiang 310013,China;2.Zhejiang Key Laboratory of Automotive Intelligent Thermal Management Science and Technology,Taizhou,Zhejiang 317299,China;3.Weichai Power Co.,Ltd.,Weifang,Shandong 261061,China)Abstract:The literature with Li-ion battery thermal runaway as the core was the research hotspot in the field of new energy vehicle development at present.The relevant literature included in the China National Knowledge Infrastructure(CNKI)database and the Web of Science core set database was taken as the study target,the CiteSpace software and scientific knowledge map were used to explore from multiple angles such as field research progress,statistical analysis and cutting-edge hotspots.Although a lot of theoretical and experimental results had been achieved in the research on thermal runaway of Li-ion battery,the research on the safety still needed to be refined,reliable and intelligent.Key words:Li-ion battery;thermal runaway;CiteSpace;research hotspot;evolution trend 电池能量密度越高,安全性隐患越大,而热失控是引发锂离子电池安全事故的重要因素1。目前,国内外研究人员已对锂离子电池热失控引起的安全问题进行了大量研究,并初步掌握了热失控的引发条件、蔓延过程和抑制防护方法,为大规模推广和应用电动汽车奠定了基础2-4。本文作者以 2001-2021 年国内外锂离子电池热失控相关文献作为分析对象,利用 CiteSpace 软件绘制科学知识图谱,对锂离子电池热失控研究领域的进展和热点进行可视化展示,廓清锂离子电池热失控整体研究情况,客观地揭示发展态势,为理解锂离子电池安全性问题的出现和热点的转移提供参考。1 研究方法与数据来源CiteSpace 是一款信息可视化软件,通过对特定研究领域的文献进行计量,从而得出学科领域演化的关键路径及知识拐点5。第 2 期徐一丹,等:锂离子电池热失控研究热点与趋势选取中国知网(CNKI)数据库及 Web of Science 核心集数据库为数据源,按照主题进行精确检索,将文献的发表年份限定为 2001-2021 年,在 CNKI 数据库中以“锂离子电池热失控”为检索词,共得到 879 篇文献,在 Web of Science 核心集数据库中以“Lithium-ion battery thermal runaway”为检索词,共得到 1 199 篇文献,检索时间为 2022 年 8 月 1 日。对两个数据库检索到的文献高频关键词统计、发表时间分布和研究演变趋势等进行分析研究6。2 研究热点与演变趋势2.1 热点主题分析关键词可以对文章的中心内容进行高度概括和浓缩,利用高频关键词可以直观地体现该领域的研究前沿及热点7。CNKI 数据库及 Web of Science 核心集数据库中高频关键词前 10 的名称和出现频次如表 1 所示。表 1 高频关键词Table 1 High-frequency keywordsCNKI 数据库Web of Science 核心集数据库关键词频次关键词频次锂离子电池571lithium-ion battery364热失控219thermal runaway263安全性82cell201内短路25safety164内部温度19behavior161储能电站17performance129正极材料16electrolyte120产热分析16stability107圆柱电池15model91参数辨识13mechanism902.2 时间分布及演变趋势文献的时间分布对理清锂离子电池热失控领域相关发展历程和预测发展趋势有重要作用8。2001-2021 年 CNKI数据库及 Web of Science 核心集数据库中,锂离子电池热失控领域论文发表情况见图 1。图 1 锂离子电池热失控领域文献时间分布Fig.1 Time distribution of literature in the field of Li-ion bat-tery thermal runaway从图 1 可知,发展历程可大致分为:2001-2010 年萌芽阶段、2010-2018 年成长阶段和 2018-2021 年爆发阶段。锂离子电池热失控研究热点随时间演变的过程,可通过共词聚类图谱的时间域视图进行展示5,如图 2 所示。从图 2 可知,两个数据库的聚类大致相同,与关键词图谱分析结果基本一致。结合图 1、图 2 可知,锂离子电池热失控领域每个发展阶段的研究重点存在差异。2.2.1 萌芽阶段2004 年前后,具有工作电压高、循环寿命长和安全性能好等优点的磷酸铁锂锂离子电池是萌芽阶段车载动力电池应用的主流。在这一时期,受技术的制约,发展速度缓慢,研究热点主题偏向于锂离子电池本身产热机理的探索及相关电池实验方法的研究。在这一阶段,研究人员大多采用加速量热仪、差示扫描量热仪等设备,测量电池各组分在高温环境下的放热曲线。Y.Saito 等9研究了不同正极材料锂离子电池在过充过程中的发热行为,用量热法测量了不同充电速率下的产热流量;M.Mohamedi 等10利用加速量热仪确定了圆柱形锂离子电池在不同荷电状态(SOC)热失控的起始温度。还有部分学者,采用实验数据和有限元软件相结合的方式,分析电池工作过程中的温度场及应力场。S.Kim 等11对圆柱形锂离子电池在充电和冲击试验过程中的机械损伤进行了有限元分析。2.2.2 成长阶段随着特斯拉电动汽车的问世,以三元材料为正极的锂离子电池受到市场热捧。三元正极材料锂离子电池的热稳定性较差,在受到撞击和高温时的起火点较低,因此,这一阶段的研究,侧重于锂离子电池单体热失控过程及单体间热失控扩散过程的机理探索、热失控仿真模型的建立,以及锂离子电池本身安全性能的优化。Q.S.Wang 等12发现,电池温度超过某一阈值后,会先后发生固体电解质相界面(SEI)膜分解、隔膜熔化、电极与电解液反应等一系列的链式反应,产生大量的热,造成热失控、热扩散甚至爆炸等灾害。冯旭宁等13-16揭示了绝热条件下锂离子电池热失控的热电耦合机制,并建立了内短路模型。C.F.Lopez 等17发现,增加圆柱形电池单体之间的间距,会降低模块中的热阻,降低热失控传播的可能性。在这一阶段,还有部分学者开始从优化电池材料的角度出发,改进锂离子电池本身的安全性能。王丹18从改善隔膜的吸液性和耐热性角度出发,采用相转移法制备聚偏氟乙烯-六氟丙烯陶瓷隔膜,以提高隔膜的耐热性能。2.2.3 爆发阶段制约电动汽车发展的续航里程问题,促使电池科技工作者向高能量密度、大容量动力电池的方向努力。电池能量密度越高,安全性隐患越大,因此,这一时期对锂离子电池热失控蔓延的研究更加深入、细致,并开始涉及消防散热技术的优化及热失控早期预警系统的开发。市场需求的多样性使得锂离子电池产品丰富多样,而触发方式、电池体系和电池容量等,均会影响电池热失控蔓延的行为特性。P.J.Bugryniec 等19采用加速量热法和烘箱加912电池BATTERY BIMONTHLY第 53 卷 图 2 CNKI 及 Web of Science 核心数据库共词聚类时间域图谱Fig.2 Time domain map of co-word clustering in CNKI and Web of Science core databases热法,研究 LiFePO4锂离子电池与其他正极材料锂离子电池的热失控过程,发现 LiFePO4锂离子电池的热失控扩散风险更低。A.O.Said 等20利用加热器诱发不同正极材料锂离子电池模组的热失控反应,在氮气和空气环境中进行燃烧影响实验,利用单体电池底部表面温度的时间分辨光谱,记录跟踪热失控传播并计算传播速度。李煌21利用 5 只并联的镍钴锰方形锂离子电池组建立热失控传播模型,模拟电池组内部的传热过程,研究不同条件下的热失控传播特性,发现增加电池间距,可以改变电池间的热传递路径,且电池间距与热失控传播时间有较强的线性关系。随着对锂离子电池热失控蔓延过程了解的深入,人们将研究重点进一步转向对蔓延抑制方法及热失控预警的探索。J.Y.Zhang 等22制备了一种由石蜡、环氧树脂等组成的阻燃复合相变材料,从宏观和微观两个层面,对热物理性能和阻燃性能进行研究。K.S.Kshetrimayum 等23通过仿真模型探究相变冷却和微流道液冷两种方式耦合对圆柱形电池组热失控蔓延抑制的影响,发现当少于 3 只电池发生热失控时,可防止热失控蔓延的发生。T.Liu 等24通过实验定量分