Research on thermal runaway test platform design for energy-storage lithium-ion batteries

介绍了锂离子储能电池热失控研究的目的和意义,探讨了储能电池与动力电池在热失控检测实验研究关注上的异同,从理论分析和实验研究两方面归纳了影响储能电池热失控的促发条件及对应的关键阈值.在此基础上,完成了模拟热失控促发条件和满足阈值要求的检测实验平台设计及功能验证,并对此平台的应用前景进行了展望.     

Recent progress on thermal runaway propagation of lithium-ion battery

简述了电动汽车锂离子动力电池热失控蔓延机理、建模与抑制技术的最新研究进展。为了满足汽车高能量的要求,需要动力电池进行串并联成组来提供动力。电池组成组安全问题成为电动汽车大规模应用的重要技术问题。电池组中的某一个电池单体发生热失控后产生大量热,导致周围电池单体受热产生热失控。因而,电池组成组安全问题的重要关注点是电池组内的热失控蔓延问题。本文对锂离子电池热失控蔓延问题的国内外研究进展进行了综述,分析了对于不同种类锂离子动力电池影响其热失控蔓延特性的主要因素。总结了文献中的热失控蔓延建模方法,并指出了已有方法的不足。从电池系统热安全管理的角度,阐述并分析了热失控蔓延防控技术的研究成果与方向。最后对锂离子电池热失控蔓延研究进行了展望。     

Experimental study on fire extinguishing of large-capacity lithium-ion batteries by various fire extinguishing agents

为研究不同灭火介质对大容量动力锂离子电池火灾的有效性,搭建了适用于多种灭火介质的灭火测试平台。在灭火测试平台上以功率为300 W的电热管作为外热源引发单电池热失控,通过改变灭火介质,研究了不同灭火介质的灭火行为及灭火效率。研究结果表明,对于38 A·h单体动力电池火灾,ABC干粉、七氟丙烷（HFC）、水、全氟己酮和CO₂灭火剂均能快速熄灭电池明火,但CO₂灭火剂灭火后电池出现了复燃;电池灭火过程中,不同的灭火剂在抑制电池温度上升表现出明显差异,其中,抑制温升效果优劣依次为水、全氟己酮、HFC、ABC干粉和CO₂。本研究的结果可为工程应用及电池灭火规范制定提供实验支撑。     

Research progress of high safety flame retardant electrolytes for lithium-ion batteries

商品锂离子电池在机械冲击、热冲击和过充短路等滥用条件下易发生起火燃烧甚至爆炸。为了解决这一安全性问题,需要开发高安全性阻燃电解液取代传统易燃烧的碳酸酯电解液。本文综述了高安全性阻燃电解液的研究进展,首先介绍了燃烧机理、阻燃机理和阻燃测试方法,再阐述锂离子电池对阻燃电解液的性质要求,并对阻燃电解液进行分类探讨,包括阻燃添加剂、阻燃溶剂（共溶剂）、高浓度阻燃电解液、离子液体和阻燃型凝胶聚合物电解质。重点对这些高安全性阻燃电解液的配方、阻燃效果、适用的电池体系进行详细阐述。最后对高安全性阻燃电解液未来的研究方向进行展望。     

Thermal explosion hazards of lithium-ion batteries in hermetic space

使用扩展容积加速度量热仪（extend volume accelerating rate calorimeter,EV-ARC）及耐压罐,开展了密闭空间中不同荷电状态（SOC）下18650型锂离子电池的热爆炸实验。实验发现,SOC=0%时电池不会发生热爆炸,而在其它工况下均发生了热爆炸;电池发生热爆炸时,电池表面最高温度、耐压罐内部最大压力都随着SOC的增加而增大。利用实验中电池发生热爆炸时的初始温度和最高温度,通过计算得到了不同SOC下电池发生热爆炸时的爆炸当量,当SOC=100%时,爆炸当量值最大,为5.45 gTNT,约是SOC=25%时的2.5倍,并在耐压罐中产生40.69 bar的峰值压力。锂离子电池在密闭中的热爆炸危险性随着电池SOC的增加而增大。     

Review of research on heat generation characteristics during charging and discharging of lithium ion batteries

电动车辆的性能和成本很大程度上取决于动力电池组的性能和使用寿命,而电池组的性能和使用寿命又受到电池单体产热的影响。研究锂离子电池充放电过程中的产热特性及影响因素,对锂电池的开发及使用具有指导意义。本文从环境温度、充放电倍率、电池材料、荷电状态和老化程度五个方面入手,综述了各因素对锂离子电池产热的影响。     

Venting process of lithium-ion power battery during thermal runaway under medium state of charge

以电动汽车用方壳型镍钴锰（NCM）锂离子动力电池为研究对象,以氮气为惰性保护,采用高速摄影的方法,在密闭容器内开展了电池热失控产物喷发过程的试验研究。检测压力突变表明,中等荷电状态下的电池热失控后的喷发过程出现了2次剧烈喷射,分别导致了喷发物射流区温度的突然降低和快速升高。借助辅助光源,捕捉到了热失控产物首次喷发演变过程的高速影像,进一步分析发现,首次喷发经历了初期的带状和锥形喷发,然后进入较长时间的无定形喷发和后期的倒锥形喷发;同时,在影像中还观察到了气-液-固三相共存的特征。     

Recent progress on evolution of safety performance of lithium-ion battery during aging process

安全性是制约锂离子电池规模应用的重要技术问题。锂离子电池的安全性能不仅仅与材料体系、电芯设计相关,还会随着使用过程而发生变化。锂离子电池安全性能在全生命周期内的演变规律需要重点展开研究,以保障电池在使用过程中的安全性。本文对锂离子电池全生命周期安全性演变问题的国内外研究进展进行了综述,分析了国内外关于电池安全性能在循环老化和储存老化两种工况下的演变规律的研究,总结了电池老化衰减机理与安全性能变化之间的关系,指出负极析锂是影响电池全生命周期安全性能的重要因素,最后对锂离子电池全生命周期安全性演变研究进行了展望。     

Thermal safety studies of high energy density lithium-ion batteries under different states of charge

The popularity of lithium-ion batteries in electric vehicles has promoted the increase of its energy density, and battery cathode and anode materials have developed rapidly in recent years. As the next generation of material systems, high-nickel-content Li-Ni-Co-Mn oxide cathode and high-silicon-content Si-C anode material systems have a high potential for further application. However, safety is a key indicator for their use in traction batteries. We thus conducted a thermal safety analysis of the pouch cells of such a system for different states of charge and revealed the key factors for the thermal safety evolution of batteries by analyzing the morphology and thermal stability of cathodes and anodes.     

Challenges in data-based degradation models for lithium-ion batteries

This work summarizes the findings resulting from applying an aging modeling approach to four different capacity loss experimental datasets of lithium-ion batteries (LIBs). This approach assumes that the degradation trajectory of the capacity is a function of three variables: time, kinetic constant, and time-dependent factor. The analysis shows that the time-dependent factor α is cell-chemistry dependent and cannot be averaged for calendar and cycling modes and combined modes. This factor was also found to be a function of the stress factors. A quadratic model was used to obtain the kinetic constants per test, and statistical metrics were provided to evaluate the quality of the fitting, which was significantly affected when using averaged values of α and refitted kinetic constants. A set of test matrices is proposed for calendar, cycling, and mixed aging modes to overcome the challenges of data-based models developed from accelerated test approaches for modeling aging in LIBs. This work also proposes a methodology to develop these data-based aging models.     

Overview of the modeling of lithium-ion batteries

简述了锂离子电池等效电路模型和电化学模型的研究进展。由于具有耗时短、技术开发效率高等优点,仿真模型被广泛应用于锂离子电池衰减机制分析、状态诊断及寿命预测。锂离子电池仿真模型主要包括等效电路模型和电化学机理模型。等效电路模型主要应用于锂离子电池荷电状态诊断。电化学机理模型主要应用于锂离子电池衰减机制分析和健康状态诊断,并为寿命预测提供技术支持。等效电路模型的结构过于单一,在锂离子电池寿命后期适用性降低。电化学机理模型结构复杂,计算量大,在线性应用能力较差。总结了现阶段常用的锂离子电池等效电路模型和电化学模型的建模原理及模型结构,阐述了每种模型在电池研究中的具体应用,并分析了其各自的优势及局限性。通过以上分析,并结合最新的建模理论,对建立具有高精度、高适用性锂离子电池仿真模型的研究方向进行了展望。     

Research progress on electrolyte additives for high voltage lithium-ion batteries

普通锂离子电池在高电压下的氧化分解限制了高压锂离子电池的发展,为了解决这一问题,可以设计、合成新型的耐高压电解液;寻找合适的电解液添加剂,然而从经济效益考虑,发展合适的电解液添加剂来稳定电极/电解液界面更加受到研究者们的青睐。本文综述了最近几年在高压锂离子电池电解液添加剂方面的研究进展,并按照添加剂的种类将其分为6部分进行探讨：含硼类添加剂、有机磷类添加剂、碳酸酯类添加剂、含硫添加剂、离子液体添加剂及其它类型添加剂。分别对这些添加剂的作用机理、作用效果进行了阐述,展望了添加剂在高压锂离子电池中的发展前景及未来研究方向。     

Review on state of health estimation of retired lithium-ion batteries

由于电池组中电池单体之间存在性能差异,退役锂离子电池在投入梯次利用前需要借助健康状态（SOH）评估技术进行电池单体的分类与配组。健康状态评估系统的构建涉及电池建模、电池测试、数据处理、算法开发等各种技术问题。目前通过基于模型的参数识别与直接提取健康因子是构建SOH评估体系的两种主要思路。在电池模型的简化、测试工况的设计、健康因子的选择和算法的应用与优化等方面已经有了很多研究。如何在缩短电池测试时间的同时提高评估系统的泛化能力是目前该研究领域的主要问题,这些问题的解决对于SOH评估系统真正在梯次利用锂离子电池的产业化中发挥作用至关重要。在未来的研究中通过优化测试工况和数据融合等技术,有望开发出性能更好的SOH评估系统。     

Patent application of silicon-based anode for lithium-ion batteries

本文通过对锂离子电池硅基负极技术领域的专利申请态势进行分析,揭示该技术领域当前的专利活动特点,为我国在该领域的科技创新和产业化提供参考。本文从国际专利申请数量年度分布、主要竞争国家/地区、专利技术来源国和目标国、主要专利申请人等方面,对硅基负极技术领域的专利申请态势进行分析,在此基础上,对世界范围内的主要竞争国家及重要申请人的专利申请特点进行重点分析。分析结果表明,硅基负极专利申请主要集中在中国、美国、日本和韩国。国外申请人注重同时在上述四国进行专利布局,并且已经在我国进行大量专利布局,而我国申请人主要在国内进行专利布局,在国外申请较少。最后,就我国未来的锂离子电池硅基负极技术的研发和专利申请与保护工作提出一些建议。     

ARC experimental and data analysis for safety evaluation of Li-ion batteries

锂离子电池安全性能可以通过电池热失控过程的量热分析来进行定性和定量评估。电池在不同温度下的放热速率及累计放热量是衡量电池热稳定性的参数。动力电池的量热分析通过绝热加速量热仪进行。本文主要介绍加速量热仪的测试原理和方法、数据分析方法,并对电池安全程度的评估方法提出了建议。     

Applications of carbon nanotubes in the lithium-ion batteries

碳纳米管因具有优异的电导率、热导率、力学性能以及独特的结构形貌,被用于改进锂离子电池性能。该文总结了近年来碳纳米管作为锂离子电池的添加剂、电极材料复合基体以及集流体的最新研究进展,重点介绍了最新的碳纳米管作为电极材料添加剂的使用方法、碳纳米管与电极材料的不同复合方法及其对锂离子电池容量性能、倍率性能以及循环寿命的影响。同时指出了碳纳米管在锂离子电池中大规模应用时需要克服的问题,如降低碳纳米管的制备成本、开发适用于工业生产的复合技术、改善碳纳米管的分散性能等。     

Thermal runaway-preventing technologies for lithium-ion batteries

安全性是制约高比能、大容量锂离子电池规模应用的重要技术问题,热失控是导致电池发生爆炸、燃烧等不安全行为的根本原因。从电化学角度来看,在锂离子电池内部建立一种自激发热保护机制,切断危险温度下电池内部的离子或电子传输,关闭电池反应,是解决这一问题的有效途径。基于这一考虑,近年来人们提出了一系列新型热失控防范技术,包括正温度系数电极（即PTC电极）、热敏性微球修饰隔膜（或电极）、热聚合添加剂等。本文在简要介绍这些安全性技术的实现方式和工作原理之后,重点介绍了这一领域的最新研究进展。在此基础上,从实际应用需求出发,对其存在的问题及发展趋势进行了探讨。     

Effect of high Ni on battery thermal safety

Frequent accidents involving Li-ion batteries have prompted higher safety requirements for these batteries. In this study, the high-temperature, thermal runaway (TR) characteristic parameters at 100% state of charge (SOC) for cylindrical NCM811 batteries with a high-energy density were compared to the widely commercialized NCM523 batteries. The average TR trigger temperature of NCM811 battery was 157.54°C, which was 20.62°C lower than that of NCM523. Moreover, the average TR maximum temperature of NCM811 battery is 858.22°C, which was 212.81°C higher than that of NCM523. The maximum TR temperature of the NCM811 battery was 1289.53°C. The high Ni batteries exhibited poor thermal stability and severe TR. An increase in the Ni content resulted in increased fluctuations in the battery's internal TR reaction because high Ni batteries have a poor TR consistency and are difficult to accurately control. The TR combustion explosion of the fully charged NCM811 battery lasted for approximately 1.36 seconds. The combustion explosion severely damaged the positive electrode, and there was a collapse of the negative layered structure. The Cu current collector surface melted locally owing to the high temperature. Moreover, Ni, Co, and Mn particles appeared in the Cu current collectors and graphite.     

A review on lithium-ion power battery thermal management technologies and thermal safety

Lithium-ion power battery has become one of the main power sources for electric vehicles and hybrid electric vehicles because of superior performance compared with other power sources.In order to ensure the safety and improve the performance,the maximum operating temperature and local temperature difference of batteries must be maintained in an appropriate range.The effect of temperature on the capacity fade and aging are simply investigated.The electrode structure,including electrode thickness,particle size and porosity,are analyzed.It is found that all of them have significant influences on the heat generation of battery.Details of various thermal management technologies,namely air based,phase change material based,heat pipe based and liquid based,are discussed and compared from the perspective of improving the external heat dissipation.The selection of different battery thermal management (BTM) technologies should be based on the cooling demand and applications,and liquid cooling is suggested being the most suitable method for large-scale battery pack charged/discharged at higher C-rate and in high-temperature environment.The thermal safety in the respect of propagation and suppression of thermal runaway is analyzed.