锂离子电池热失控多维信号演化及耦合机制研究综述_李奎杰.pdf

第 12 卷 第 3 期2023 年 3 月Vol.12 No.3Mar.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology锂离子电池热失控多维信号演化及耦合机制研究综述李奎杰1，楼平2，管敏渊2，莫金龙2,3，张炜鑫1，曹元成1，程时杰1（1华中科技大学电气与电子工程学院，湖北 武汉 430074；2国网浙江省电力有限公司湖州供电公司，3国网德清县供电公司，浙江 湖州 313000）摘要：锂离子电池热失控问题是当前电化学储能电站安全的核心问题。准确详尽地掌握电池热失控过程是实现储能电站主动安全预警的前提。然而，锂离子电池是具有复杂非线性特性的电化学系统，其热失控过程将在多维物理场上表现出不同的信号特征，现有仅靠电压和温度等外特性信号的电池管理系统难以全面客观地监测电池的安全健康状态。因此，研究电池热失控过程中多维信号的演变及耦合机制具有重要意义。本文系统综述了锂离子电池热失控过程中的热、电、机械和气体四个维度的特征信号的演变规律，分析不同维度物理场信号之间的耦合特征，并展望基于多维传感信号融合的电池主动安全预警技术在储能电站的应用。关键词：锂离子电池；热失控；多信号耦合；安全预警doi：10.19799/ki.2095-4239.2022.0694 中图分类号：TM 912 文献标志码：A 文章编号：2095-4239（2023）03-899-14A review of multi-dimensional signal evolution and coupling mechanism of lithium-ion battery thermal runawayLI Kuijie1,LOU Ping2,GUAN Minyuan2,MO Jinlong2,3,ZHANG Weixin1,CAO Yuancheng1,CHENG Shijie1(1School of Electrical and Electronic Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,Hubei,China;2State Grid Huzhou Electric Power Supply Company,3State Grid Deqing County Power Supply Company,Huzhou 313000,Zhejiang,China)Abstract:Thermal runaway of lithium-ion batteries is the core issue of current electrochemical energy storage power stations regarding safety.Accurate and detailed description of the battery thermal runaway is the premise to realize the active safety warning of energy storage power stations.However,lithium-ion battery is an electrochemical system with complex nonlinear characteristics,which exhibits multi-dimensional signal characteristics during their thermal runaway evolution.It is difficult to comprehensively monitor batteries safety and health status only by a single signal characteristic.Therefore,studying the evolution and coupling mechanism of multi-dimensional signals in the battery thermal runaway is essential.This review systematically investigated the evolution laws of characteristic signals in the four dimensions of thermal,electricity,machinery,and gas during the thermal runaway of lithium-ion batteries and analyzed the coupling characteristics between different signals.Furthermore,an active safety early warning method has prospected for energy storage batteries based on multi-dimensional sensing signals.Keywords:lithium-ion battery;thermal runaway;multi-signal coupling;safety warning储能系统与工程收稿日期：2022-11-23；修改稿日期：2022-12-04。基金项目：国网浙江省电力有限公司科技项目（B311UZ220001）。第一作者：李奎杰（1996），男，博士研究生，研究方向为储能电池安全管理，E-mail：KuijieL；通讯作者：曹元成，研究员，研究方向为储能安全和电池回收，E-mail：。2023 年第 12 卷储能科学与技术面对传统一次化石能源日益匮乏以及大规模使用所导致的能源危机、环境污染问题，发展新能源与可再生能源是实现全球能源转型和可持续发展的核心和关键。2020 年以来，我国相继发布“碳达峰、碳中和”相关政策，进一步明确“双碳”目标的实现离不开新能源与可再生能源的大力发展1。我国正在努力引领全世界生产生活方式的绿色低碳化变革，能源结构加速向新能源及可再生能源转型。电力在我国能源消费与碳排放中占据重要地位。电力系统的低碳转型已成为我国“双碳”战略的重要组成部分，构建以新能源为主体的新型电力系统对“双碳”目标实现将起到关键作用2。储能已成为新型电力系统中的要素，被认为是解决新能源发电间歇性、波动性和随机性问题的最主要工具，其可以实现削峰填谷，是新型电力系统运行中迫切需要的技术。储能作为新型电力系统建设的重要技术基础，其规模化应用趋势已逐渐呈现3。锂离子电池因兼具能量密度高、功率密度高、工作电压高、循环寿命长等优点而备受青睐，已经在规模储能等高新技术领域展现出巨大的应用价值4。以锂离子电池为代表的电化学储能技术，因其快速灵活和长寿命等优点而成为储能领域装机容量增长最快的技术。然而，以锂离子电池为代表的电化学储能技术存在着诸多安全隐患。规模储能电站安全事故时有发生，且绝大多数安全事故是由电池热失控导致。锂离子电池安全事故是规模储能技术发展的首要问题与致命隐患5。储能锂离子电池的安全问题已成为储能技术大规模推广应用过程中，亟须解决的瓶颈技术问题6。热失控是锂离子电池安全事故的共性特征，电池热失控问题是当前电化学储能系统安全的核心问题7。热失控是指电池内部出现放热连锁反应引起电池温升速率急剧变化的过热现象8，电池内各组分材料的热失控反应机理如图1所示，电池热失控的诱发原因总结如图2所示，主要包括：机械滥用、电滥用和热滥用三类。机械滥用会导致电池材料的形变及结构的破坏。电滥用主要包括内短路、外短路、不当充电、过放电等行为。热滥用主要为电池局部过热导致其失效的行为，电池电阻的异常增大会加剧其工作时的产热，过高的产热和较差的散热条件就容易造成热滥用9-10。此外，三类诱因造成的热失控都伴随着电池的产气现象。锂离子电池是具有复杂非线性特性的电化学系统，其热失控过程通常伴随着电池温度、电压、电流、形变、气体成分及其浓度的变化，将在多维物理场上表现出不同的信号特征10，电池失效热溢时序如图 3 所示。然而，目前电池管理系统(battery management system，BMS)的功能大多局限于采集电池的电压、电流和表面温度等电、热两个维度的外特性信号11-12，较少有涉及通过监测电池的应力应图1锂离子电池内各组分材料的热失控反应机理8Fig.1Thermal runaway reaction mechanism of various components in lithium ion battery8900第 3 期李奎杰等：锂离子电池热失控多维信号演化及耦合机制研究综述变等力学信号和电池热失控产气的种类与浓度等气体信号，以对电池进行准确的健康状态估计。综上所述，厘清锂离子电池热失控过程中，多维传感信号的演变规律，明晰不同特征信号之间的耦合机制，是实现电池热失控前及时准确预警的前提，对于确保储能电站的安全可靠运行具有重要意义。因此，本文系统综述了锂离子电池热失控过程中的“热、电、机械和气体”四个维度的特征信号演变规律，分析四种信号之间的耦合机制，并展望基于多维传感信号融合的电池主动安全预警技术在储能电站的应用。图2电池热失控三大诱因8Fig.2Three inducing reasons of battery thermal runaway8图3电池失效热溢时序10Fig.3Battery runaway heat overflow timing109012023 年第 12 卷储能科学与技术1 多维物理场下电池热失控特征的演变规律1.1热信号热信号与电池失效过程直接相关，深入分析锂离子电池失效过程中的热信号演变规律有利于更好地捕捉电池失效初期的异常产热特征。国内外多数研究学者对于锂离子电池失效过程中的热信号特征开展了深入的研究。李煌13从电池材料和电池单体的角度研究了锂离子电池热失控的演变过程，使用差示扫描量热仪(differential scanning calorimetry，DSC)分析了电池内部材料体系的反应放热峰和产热规律，揭示了锂离子电池单体热失控的孕育机理和单体内热失控过程中电池的温度、电压等特征参数的演变规律，进一步阐明电池在达到其热失控自产热温度之前，电池电压随温度的升高呈现出微弱的下降趋势；达到热失控自产热温度之后，SEI膜开始分解，并导致电解质和负极之间直接接触并发生反应，电池温升速率也呈现微弱的上升趋势；这一阶段会产生一些烷烃类气体，电池因此产生轻微膨胀；而后隔膜开始收缩熔化，导致电池发生内短路，电池电压在其温度达到内短路发生温度(TISC=134.5)时发生跳水，从4.06 V瞬间下降至0 V，发生大规模内短路触发了热失控，致使电池温度开始呈指数上升。Wang等14基于能量守恒定律，通过Arrhenius经验方程建立了电池热失控数值仿真模型来揭示局部过热触发电池热失控的机理，并通过实验数据验证了模型的准确性。结果表明：电池负极和电解质反应所释放的能量约占电池热失控所释放能量的63.8%，改善电池的散热条件可以延缓电池热失控进程。宋来丰等15开展了280 Ah磷酸铁锂电池在绝热条件下电池热失控实验，获取了大型磷酸铁锂电池绝热条件下热失控的3个特征温度，自产热温度T1为70.26、热失控触发温度T2为200.65、热失控最高温度T3为340.72，热失控过程中出现两个温升速率峰值分别为3.59/s和1.28/s。刘洋等16通过设计绝热热失控定点冷却实验，并开展磷酸铁锂电池热失控不同阶段的材料特性演变研究发现：磷酸铁锂电池自发热起始温度在 100120，为保障储能电站安全可靠运行，应在电池内部最高温度处于60100 区间时即采取相应安全管控措施。朱鸿章等17通过实验研究了磷酸铁锂电池在外部过热条件下的热失控特性，