DOI Link:
https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2024.126020
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ScienceDirect:
UniversityWeb:
https://www.polyu.edu.hk/en/beee/people/academic-staff/dr-huang-xinyan/
Received: 28 April 2024
1. 科学问题
不同针刺材料、半径和SOC对LIB TR的影响
2. 实验与模型方法
2.1 电池样品
2.2实验研究
3. 研究结果
3.1 TR参数定义
1.电池温度演变
由于难以测量电芯的内部温度，使用随时间变化的电池表面平均温度来描述温度变化（Eq. 1）。
2.电池温升速率
温升速率 用于评估放热反应和热失控的强度（Eq. 2）。
电池热失控的起始时间和起始温度定义为温升速率超过 10 °C/s 时的点（Eq. 3、4）。
4.热失控持续时间
热失控持续时间定义为从热失控开始到电池表面温度达到最大值的时间（Eq. 5）。
3.2 TR现象
1. 100% SOC 电池(Fig. 2a)
5 mm钢钉以10 K/s的恒定速度穿刺电池。起始时间(0 s)为钉尖接触电池壳的瞬间。 在1秒时安全阀打开，火花不仅从安全阀喷出，还从穿刺点喷出，随后喷射火焰被点燃。 4秒后，喷射火焰逐渐转变为持续约25秒的稳定扩散火焰，直到熄灭。 火焰熄灭后，少量烟雾继续释放约1分钟。
2. 75% SOC 电池 (Fig. 2b)
热失控的强度相对较弱，火花后未立即出现喷射火焰。
在3秒时，喷射火焰开始出现，短暂后转变为稳定火焰。约20秒后，火焰自灭。
3. 50% SOC 电池 (Fig. 2c)
过程中仅观察到穿刺点火花喷射，并伴随持续超过60秒的烟雾释放。
4. 30% SOC 电池(Fig. 2d)
释放了少量烟雾，未发生热失控。烟雾释放过程持续超过60秒。
Fig. 2. Thermal runaway behaviours during the penetration tests for cells with (a) 100 % SOC, (b) 75 % SOC, (c) 50 % SOC, and (d) 30 % SOC, where the diameter of the steel nail is 5 mm (see Videos S1–4).
Video 3
1. SOC对电池温度的影响(Fig.3a-b)
当SOC高于30%时，电池发生热失控。
随着SOC的增加，电池表面温度和温升速率都增加，导致热失控事件更加迅速和剧烈。
热失控的持续时间通常为10–20秒，然后电池温度下降。
高SOC的电池热失控时间较短，但强度更高，且在达到最高温度后，降温速度更快。
2.热失控后电池质量损失(Fig. 4a)
热失控后，电池的质量损失比随着SOC的增加而增大。
当SOC从30%增加到100%时，质量损失比从3.0%增加到49.4%。
这是由于SOC较高的电池具有更强烈的电化学反应，释放更多气体和颗粒物，导致更大质量损失。
高SOC电池的质量和体积密度较低，因此降温速度更快。
3. SOC对钉穿刺负载的影响 (Fig. 4b)
随着SOC的增加，钉穿刺负载逐渐降低。
热失控温度随SOC增加而升高，导致电池结构（尤其是钢壳）的强度随SOC的增加而降低。钢材在500°C时强度下降20%，在700°C时下降80%。
对于100% SOC的电池，钉穿刺负载中出现了两个峰值（分别在约0.3秒和2.3秒）。这些峰值归因于钉与电池壳之间的摩擦。
随着SOC降低，第二个峰值逐渐减弱，平均负载增加。这是因为低SOC电池的热失控对其内部结构损害较小，因此钉在热失控过程中仍会受到内部结构的摩擦影响。
Fig. 3. The evolution curves of (a) surface temperature and (b) temperature rise rate for cells during the nail penetrating experiments, where the diameter of the steel nail is 5 mm.
1.钉穿刺温度变化过程(Fig. 5)
根据表面温度变化，钉穿刺过程可分为三个阶段：
穿刺阶段：钉穿刺导致电池壳变形。
自加热阶段：热失控发生，温度迅速上升。
冷却阶段
2.不同导电性材料的影响(100% SOC)
高导电性材料（如黄铜和钨钢）对应较高的温度曲线，最大表面温度 (Tmax) 分别接近703°C和723°C。
SOC越高，热失控越瞬时且剧烈。
3.低导电性材料的影响(100% SOC和 50% SOC)
对于低导电性材料（如AlO和ZrO），100% SOC时的温度曲线较低，最大表面温度 分别约为691°C和628°C。
在50% SOC时，AlO和ZrO钉的温度曲线反而较高，最大表面温度分别接近576°C和522°C。相比之下，黄铜和钨钢钉的最大表面温度分别为470°C和422°C。
4. SOC对电池损坏的影响(Fig. 5d)
100% SOC的电池表面破损显著多于50% SOC的电池。
5.材料对热失控影响的进一步分析 (Fig. 6)
存在一个介于30%和50% SOC之间的热失控触发阈值。
在SOC高于该阈值时，热失控区间出现。
在100% SOC条件下，导电材料的最大温度大于非导电材料，但在50% SOC时。
Fig. 6. Eigenvalues obtained from permeation experiments with different nail materials under different SOC conditions: (a) Maximum temperature, (b) maximum temperature rise rate, (c) duration of heating, and (d) the period from the start point to thermal runaway onset, where the diameter of the nail is 5 mm.
1.钉直径对热失控的影响 (Fig. 7)
在100% SOC下进行，所有电池均被穿刺。
钉直径越大，电池的最大温度和温升速率越低。
2.热导率与散热的权衡
大直径钉具有更低的电阻，导致更多的热量产生，有更大的热通量，导致更快的散热。
当钉直径增加时，散热效应主导，因为钉的热传导导致更多热量损失。
3.钉直径对电池结构的影响
更大的钉直径对电池结构破坏更为严重，导致更强的热对流和热辐射，从而加速冷却。
钉直径对冷却的影响与SOC条件类似，较大的SOC和较大的钉直径都会导致电池结构更为破碎，从而加速降温。
Fig. 7. (a) Cell temperature and (b) temperature rise rate during penetration tests with different nail diameters.
1.简化的热传导模型 (Fig. 8a)
在钉穿透过程中，电池的热源可以分为三个部分。
2.导电与非导电钉的热生成与冷却(Fig. 8b-c)
不论钉的类型如何，随着SOC的增加，热生成量增加，冷却量减少。
3.热生成与散热的关系(Table 3)
随着SOC降低，热生成速率/热散失比值下降。
导电金属钉引发的热失控产生更多热量，且在相同SOC条件下冷却速度较慢，相比于非导电钉。
4. 重要结论
30% SOC电池无法通过钉穿刺触发热失控，热失控的临界SOC范围为30%至50%。
对于发生热失控的电池，温升速率和最高温度随SOC增加而增加，但随钉直径增加而降低。
金属钉在高SOC电池中因内短路引发更快的焦耳热释放，导致更强烈的热失控；而陶瓷钉在低SOC电池中因导热冷却较弱，导致更严重的热失控。
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