DOI Link:
https://doi.org/10.1016/j.etran.2024.100380
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UniversityWeb:
https://www.matse.psu.edu/directory/chao-yang-wang
Received: 20 September 2024
1. 科学问题
探讨电池短路（ISC）过程中的电池设计、短路位置、短路元件尺寸和SOC等因素对热失控（TR）的影响，揭示电池化学反应、热量生成及电池性能的相互作用机制
2. 实验与模型方法
2.1 实验方法
实验电池设计
Fig.1 ISC实验研究准备的单层无负极充电电池。
电池具有四个端子：
两个端子用于负极和正极集流体。
两个端子用于与负极和正极集流体接触的短路芯片。
短路芯片配置
铝芯片与去除正极活性材料涂层的正极集流体压接。
镍芯片放置在负极集流体上。
电池通过常规端子连接至能量来源，短路端子通过开关互连形成短路。
电流与电阻测量
使用分流电阻和电压降法在多个位置测量瞬时电流：
分流电阻串联芯片端子以测量总短路电流（ISC）。
分流电阻串联能量来源端子以测量能量来源提供的电流（IES）。
短路总电阻（RSC）为正极端子至芯片端子电阻与负极端子至芯片端子电阻之和，通过测量这些端子的电压降确定。
温度测量与数据采集
在电池内部和外部多个位置放置热电偶以测量瞬时温度。
数据采集单元（DAQ）以8Hz采样频率记录电压降和温度数据。
实验装置与可扩展性
单层短路电池被放置在钢制腔体中，通过玻璃窗使用GoPro摄像机记录整个ISC过程。
单层电池容量较小，对短路电流贡献不大，因此可以轻松更换材料（如锂金属与石墨负极、NMC811与LFP正极、液态与固态电解质等），并支持不同的荷电状态。
Fig. 1. Schematic representation of (A) single-layer cell used in the experimental setup, (B) simulation setups of the single-layer cell for validation simulations (left) and parametric simulation (right), respectively.
2.2 内部短路带电阻模型
短路元件设计
短路元件是连接负极集流体（CC）与正极集流体的导电介质。
Fig. 1 b短路元件的几何形状：
左侧：实验验证的长条形短路芯片模型，与实际实验芯片相匹配。
右侧：参数研究中使用的4 × 4 mm短路元件模型，以锂的热性能为基准，模拟真实短路情况。 短路元件的热性能
短路芯片的热容量与热导率基于实验芯片计算的等效值调整。
参数模拟中短路元件的内部电阻值根据锂的接触电阻选定，锂的电阻率导致的内部电阻值很小，因此忽略不计。 总短路电阻（RSC）计算
验证模拟中，直接采用实验测量的总短路电阻值，作为短路元件的内部电阻输入模型。
参数模拟中，总短路电阻由以下部分相加：
正极集流体的内部电阻；
负极集流体的内部电阻；
短路元件的内部电阻。
2.3 数值模拟方法
数值模型描述
使用了3D电化学-热耦合(ECT)模型来模拟单层短路电池及其能量来源。 电化学模型通过电荷和物种守恒方程描述电解质和固体相中的过程，并通过Butler-Volmer动力学实现界面电荷传递反应的耦合。 热量方程描述了电化学过程与温度之间的耦合。 短路处的焦耳热 qshort 是主要热源，而电化学反应热 q
假设忽略了锂金属熔化和电解质蒸发的影响，因为这些过程吸收的热量远低于短路产生的热量。
NCM811作为正极材料。 单层短路电池使用无负极设计，多层能量来源电池使用石墨负极。 单层电池使用局部高浓度电解质(LHCE)，多层电池使用商用电解质（1M LiPF6 in EC/EMC (3:7)）。
单层短路电池网格元素数为41110。 多层能量来源电池网格元素数为18200。
所有电化学参数通过GT-Autolion校准，以确保模拟数据与实验数据的放电特性一致。
3. 研究结果
3.1 实验验证
1. 实验与模拟对比（Fig. 2）
实验现象：
当开关闭合后，单层无负极电池立即短路，终端电压瞬间降至2.8 V。
短路后电流激增，导致温升速率（dT/dt）和温度梯度显著增大。
模拟现象：
模拟中的电压降至3 V，略高于实验值（因实验中额外的电缆和接触欧姆电阻导致差异）。
短路后初始电阻为33 mΩ，在3秒内快速增至60 mΩ，短路电流因此降低。
2. 影响因素分析
短路过程中金属的电阻随温度升高（正热系数效应）而增加。
离子传输、化学动力学、温度和电阻变化的综合作用使电压出现恢复现象。
3. 温度数据差异
实验温度：测量点位于两个隔膜层之间，且实验电池额外的热质量影响无法忽略。
模拟温度：基于短路元件（SE）的体积平均温度，因此无法完全与实验的局部温度匹配。
4. 热输入与功率匹配
总热输入（Joule热）和加热功率（表示Joule热的速率）在模拟和实验中匹配，仅在火灾及热失控（TR）开始前的几秒内吻合。
模拟未包含TR化学动力学模型，导致后期数据偏离。
Fig. 2. Comparison of simulation and experimental results for ISC model validation.
3.2 短路行为参数研究
1. 基准案例（Fig. 3A）
设定：
基准案例为单层无负极电池（AFB）与2.6 Ah锂离子电池（LiB）能量源（ES）并联，SOC为100%。
短路元件尺寸为4×4 mm，位于中心，短路阳极与阴极电流收集器（CC）。
观察结果：
电压下降和短路电流高于验证模拟，因初始短路电阻仅为10 mΩ。
短路元件（SE）由于尺寸极小，温度骤升但持续时间不足1秒，随后热量扩散至电池层。
短路电阻随温度升高瞬间增加，但随后因温度下降而减少。
初始下降后略有恢复，随后持续降低直至电池损坏。
2. 温度分布（Fig. 3B）
中心热点：
额外热点：
容量与短路行为的关系（Fig. 4）
实验设置：通过增加能量源（ES）的容量来模拟实际电池中电极层数的增加。
主要结果：
较大容量的ES在相同初始短路电阻下提供更大的电流，导致更多焦耳热和短路元件（SE）更高的温度。
容量越高，达到相同短路电阻所需的电压降越小。
高温下的电压变化
高温下电压回升现象更显著。10.4 Ah ES的短路情况下，短路后电压迅速反弹至更高值。
短路电阻变化
10.4 Ah短路案例的短路电阻增加最明显，这是由于最高温度导致的。
热失控风险
实验和模拟均表明，初始短路电流越大，电池越容易起火。
模拟清楚显示了较大容量的电池更易发生热失控的趋势。
Fig. 4. Simulated effect of total cell capacity.
3.2.2 短路位置的影响
短路位置与电流路径（Fig. 5）
短路位置越远离极耳，电流路径的总电阻越大，导致短路电流和电压降减小。
电压差仅为毫伏级，但短路电流差异为 3–5 A。
热量生成与温度变化
短路元件（SE）靠近极耳时温度较高，表明更多热量生成。
虽然靠近极耳的SE温度更高，但0.5秒时的短路电阻趋势在所有位置案例中相似。
温度分布与电阻趋势（Fig. 6）
温度分布因短路位置不同而变化：
远离极耳：电流路径最长，尽管初始电流较低，但焦耳热生成最高，总短路电阻与靠近极耳的案例相当。
Fig. 5. Simulated effect of short location.
Fig. 6. Temperature contours for simulated effect of short location at 2sec
3.2.3 短路元件尺寸的影响
初始电压降与电流（Fig. 7）
所有短路元件（SE）尺寸案例的初始电压降和短路电流相同，因为初始短路电阻一致。
温度变化与电阻趋势
2 × 2 mm SE：
温度迅速上升至1700°C，导致稍高的电压回升。
温度升高使短路电阻增加，最终短路电流最小。
8 × 8 mm SE：
短路元件尺寸对电池热特性的影响
8 × 8 mm SE：
更大电流和更广的影响范围使极耳温度升高。
极耳高温增加了附近电流的电阻，使总短路电阻接近4 × 4 mm SE案例。
温度分布（Fig. 8）
短路后1秒的温度分布显示，8 × 8 mm SE在极耳附近的温度最高，表明其更显著影响电池热行为。
Fig. 7. Simulation results for the effect of short element size
Fig. 8. Temperature contours for simulated effect of short element size at 2sec
3.2.4 负极材料的影响
短路电流与直流内阻（DCIR）（Fig. 9）
锂离子电池（LiB）：
无负极电池（AFB）与锂金属电池（LMB）：
电压降与温度
LiB：
电压降最低，因为其DCIR最低。
AFB与LMB：
短路电阻变化
LiB：
温度升高最快，使短路电阻增加幅度最大。
AFB与LMB：
Fig. 9. Simulation results for the effect of anode.
电池设计对ISC的影响
通过参数化研究，发现电池容量增加会导致更高的短路电流和更多的热量产生。容量较大的电池（如10.4 Ah）比小容量电池（如2.6 Ah）更易发生热失控。短路位置对短路电流与温度的影响
短路位置离电池标签越远，电流越小，电压下降较少，温度分布不同。接近标签的短路位置产生更高的局部温度。短路元件尺寸对热失控的影响
更小的短路元件（如2×2 mm）迅速升温，导致更高的短路电流和温度。较大的短路元件（如8×8 mm）虽然升温较慢，但由于更大的接触面积，会导致更高的电池整体温度。SOC对热失控反应的影响
不同SOC（如100%、75%、50%）对电池短路电流的影响较小，但SOC影响电池在热失控过程中氧气释放的能力，从而影响燃烧和热失控反应。
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