DOI Link:
https://iopscience.iop.org/article/10.1149/2.F08243IF/meta
1 锂离子电池的优势与TR风险
高能量密度：
由于其高比能量和体积能量密度，锂离子电池在质量和体积受限的能量存储系统中非常受欢迎，应用场景包括电动汽车、电动工具、消费电子设备、全电动飞机，以及高可靠性军事和载人航天器。TR风险增加：
下一代可充电锂电池的高比能设计进一步加剧了TR安全隐患。即使经过严格的质量控制，电池内部的潜在缺陷仍可能引发内部短路，从而导致不可预测的TR。
1. 热失控的特性与诱因
TR机制：TR是一种最具能量的电池系统安全隐患。它始于电池的过热，当热量无法有效散发时，引发电极和电解质材料之间的剧烈放热反应。这些反应会产生气体，加压电池，导致电池外壳破裂，喷射出高温固体、熔融金属、蒸汽及有毒气体。此外，易燃的喷射材料可能引发火灾，加剧能量释放。
影响因素：电池的化学组成、材料数量、充电状态（SOC）和老化情况都决定了TR期间的能量和材料释放。高容量化学材料和更高电压虽然提高了电池包的能量密度，但也降低了TR的起始温度，增加了能量释放的风险。
诱发TR的外部因素：如挤压、穿刺及外部短路，通常会同时引发多个电池的TR，使其更加复杂且难以缓解。
2. 电池质量控制与被动防护设计
质量控制措施：尽管电池质量因制造商实践和设计不同，安全电池组的一个重要任务是评估电池质量并采取预防措施，以尽量减少缺陷电池进入电池组的概率。这包括审查电池设计的成熟度、生产历史、生产线审计、批量一致性验证、X射线CT扫描及解剖检查。此外，可对电池进行100%无损筛查，以识别潜在的微弱短路。
不足与必要的被动防护：尽管这些措施能降低缺陷的可能性，但不能完全杜绝缺陷导致的单体电池TR。因此，为关键应用（如载人航天器）设计被动防护（PPR）系统至关重要。
3. NASA的TR传播设计指南
减少电池侧壁和旋槽破裂的风险：增强电池结构以防止在TR期间的物理破裂。
提供足够的间距和散热设计：确保电池间有足够的物理空间和散热能力，以减少热传递。
保护相邻电池免受TR期间喷射物的影响：设计有效的屏障，防止热失控电池喷射物影响其他电池。
电气隔离热失控电池：将TR电池电气隔离，防止电气连接引发更多的TR。
防止火焰和火花逸出电池外壳：设计电池外壳以抑制火焰和火花传播，保护外部环境。
4. 被动防护设计的效果与验证
被动传播耐受架构：根据上述指南，设计出具有单体TR事件耐受性的被动传播架构，不会显著影响电池性能，并且与非TR耐受的轻量化设计相比，仅增加约20%的寄生质量。
设计验证手段：通过热失控量热法、高速放射成像、电池侧壁破裂表征、爆炸板测试及模拟，指导电池设计及其PPR测试样品的验证，以实现安全可靠的多单体电池系统设计。
这些设计和策略有助于提高锂离子电池在载人航天器等关键应用中的安全性，有效应对TR带来的风险。
热失控（TR）触发的内部位置通常难以预测，但与电池的故障模式及其带来的风险相关。在电池包设计中，需要考虑多种风险场景（Fig. 1(a)）。
TR期间的高温和高压可能导致电池某些结构失效。电池顶部、底部或两端设置的通风口旨在缓解过高的电池内部压力，在电解质燃烧前进行释放，并为TR产物提供专门的排放路径。
Fig. 1(b) 展示了顶部通风口破裂伴随材料喷射的情景，有时材料会从两个通风口喷出（Fig. 1(d)）。
通风口并不总是能保证排放路径，如Fig. 1(c)所示，在相同类型电池中，通风口未打开，大部分材料被限制在内部。
一些电池，包括那些带有通风口的，也会在侧壁破裂（Fig. 1(e)-(j)）。
热成像结果（Fig. 1(f)-(i)）显示材料可能会朝不同方向随机喷射。 高能量密度电池更易发生侧壁破裂，这是由于TR过程中能量释放增加，而为了减轻重量，电池外壳较薄。
这些观察表明，对于18650和21700等电池型号，需要优化设计以确保喷射物仅从通风口排出。这要求在电池包设计中加入能应对喷射方向不可预测性的安全措施。
3 支撑结构设计与电池热管理
1. 单元支撑的功能：
单元支撑是一种结构，旨在在预期的机械应力（如冲击、振动）下机械支撑电池单元，通常也是电池热管理的主要组成部分。
支撑设计对实现指南1（防止侧壁和旋转槽破裂）和指南2（为电池单元提供足够的间距和散热）至关重要。 2. 电池排列与热失控传播：
电池组通常并联排列，使得相邻电池易受侧壁和旋转槽破坏，导致相邻电池承受显著的热量传递。
缺乏足够的侧壁和旋转槽支撑，TR很容易在设计上有效抑制TR传播的电池单元之间传播。 3. 散热结构的设计：
例如，Fig. 2(a) 中的蒸发散热器由含水的吸湿材料构成，除非侧壁破裂，否则对TR具有耐受性。
金属支撑（如Fig. 2(a) 中的铝散热器）通过降低侧壁破裂的概率、阻止直接喷射物撞击并散热，能有效保护相邻电池。
在Fig. 2(b)-(c) 中，铝散热器包含一个侧壁破裂并防止TR，然而相邻电池仍然受到散热器上方喷射物的影响。 4. 捕获板的重要性：
需要设计良好的捕获板（耐温、绝缘的结构），保护电池旋转槽而不妨碍排气性能（留出压边展开和盖释放的空间）。 5. 热沉与电池间距：
导电散热器能够容纳窄电池间距，提高体积能量密度。例如，Fig. 2(c) 中的铝散热器中，单元间间距可小至0.5mm以满足TR传播要求。
热量、导热性和接触电阻决定散热器在防止TR传播方面的有效性。 6. 热接口阻抗的设计：
在某些设计中，希望电池与支撑之间的热接口阻抗低，以迅速从电池传递热量。
在其他设计中，可能希望更高的热阻以更缓慢地散发可能损害相邻电池的过量热量。 7. 隔热设计的局限性：
隔热单元支撑设计可以缓解TR传播，但在操作过程中热散发能力有限。以前建议的2mm空气间隙不足以防止TR在电池之间传播。
缺乏电池散热可能导致通过镍汇流条的热传导传播。 8. 空气间隙的适用性：
空气间隙对相邻电池的侧壁和旋转槽破裂没有保护。因此，基于空气间隙的电池支撑仅适用于排放率相对较低的电池。 9. 材料选择与设计权衡：
观察到容量>2.8 Ah的电池侧壁破裂的可能性显著高于≤2.6 Ah容量的电池，后者始终通过排气口释放材料。
可能需要使用轻质、耐温且高强度的绝缘材料防止侧壁冲击（Fig. 2(d)），但会增加额外质量。
10.金属套筒的应用：
在使用金属散热器和无支撑材料的设计之间的折衷是使用金属套筒来容纳侧壁破裂（Fig. 2(e)）。
Fig. 2(e) 右侧图像显示，一个单电池侧壁破裂被230μm厚的钢套筒所包覆。 11. 热管理系统与电池应用：
电池间距与选择的热管理系统密切相关，而这又依赖于电池的预期应用。
尽管主动热管理方法通常具有比被动方法更好的冷却能力，但在不需要主动冷却时，被动系统更简单、成本更低、重量更轻。 12.TR传播的挑战：
被动TR传播对于被动或主动散热器是必要的，因为主动热管理系统可能无法有效散发TR的热流。
Fig. 2.Pack-level TR propagation mitigation measures. (a) Sidewall breach in vaporizing heat sink–caused TR propagation. (b) Metallic heat sink contains a sidewall rupture, but adjacent cells are damaged due to ejected material. (c) Computational modeling highlighting temperature gradients from TR cell to heatsink.32 (d) Rigid insulating cell support effectively mitigates sidewall breach of cells. (e) Steel tubes used to provide sidewall support. (f) Fuse integrated into Ni bussing, showing the clocking that favors a smooth current path between the cells and the pack terminals. Computational modeling guides design of efcient bussing.36 (g,h) Vent pipe structure directs ejecta away from cell. Tortuous path, bafes, steel mesh, prior to a waterproof, gas permeable membrane in battery housing limits escape of flames, particulate, and sparks.
4. 电气危险缓解要点总结
1. 短路的影响：
外部和内部短路会释放储存的能量为热量，可能导致热失控（TR）。外部短路可能由于电池接线或绝缘特性受到损害（如加热或机械力）而发生。
热失控事件增加了短路的风险，喷射物中含有的导电材料可能在电气路径上沉积，从而导致单个或多个电池短路。 2. 电池排列与短路风险：
电池的空间排列和电气连接（包括串联-并联策略）会显著影响由于喷射物沉积导致短路事件的可能性和危害。
短路的严重性由短路的阻抗和短路可用功率决定。例如，电池端子间的低阻抗短路可能导致灾难性的高电流情况，进一步引发TR；而高阻抗短路则可能导致电池缓慢放电，虽然不足以引发TR，但仍然是不可取的。 3. 设计指南的应用：
指南3（保护电池免受TR期间喷射物的影响）：涉及电池之间的电气隔离以及管理喷射物的流动路径。
指南4（电气隔离TR电池）：当发生内部或外部短路时，需要额外保护措施。 4. 接线方式的选择：
使用汇流条（bussing）而非导线作为电气连接更为优先，因为汇流条占用空间小、位置固定且易于安装。
用于仪器的接线应避免经过排气口及其他高易受喷射物影响的区域，且应被引导以保持位置稳定。
可以在接线表面涂覆高温绝缘材料，以保护接线免受喷射物的冲击。 5. 保险丝的作用：
保险丝（指南4）可以在外部短路或分流电流过热额外电池并导致TR之前停止短路。并联电池特别容易受到电流分流的影响：故障电池的开路电压（OCV）下降会导致并联电池的电流流出。
保险丝应尽可能靠近电池端子设置在喷射TR物质倾向较小的一侧，通常是负端子。如果不然，导电的TR喷射物可能会重新闭合电路，使保险丝失效。 6. 电池设计的优化：
设计中需考虑保险丝在正常工作时造成的电阻。采用串联-并联拓扑结构，可以使用更少的保险丝来隔离整个串联，从而降低电池组的电阻，提高电池功率。
在某些设计中，保险丝和接线端的定位和方向可能会显著影响汇流条的电阻，尤其是在高电流情况下（Fig. 2(f)）。
5. 保护相邻电池免受热失控喷射物影响要点总结
1. 控制喷射物路径：
一旦控制电池的热失控（TR）喷射物出口路径（指南1），并仅通过顶部和底部通风释放喷射物，则需要鼓励喷射物在热力学和机械强度良好的通道中广泛分散，以保护相邻电池（指南3）。 2. 冲击板的应用：
冲击板是由薄金属和绝缘材料层叠而成的复合材料，用于保护本来可能处于喷射物直射路径上的电池。
理想情况下，冲击板的测试应显示出这些板不会被喷射物穿透，也不会在TR电池旁边积聚喷射物件的考虑**：
在冲击板测试中，通过热触发电池而非针穿刺触发可以导致更高的喷射物动量，从而进行更保守的测试 。 间隙 - 喷射物通风口与冲击板之间的间隙距离也至关重要。在从18650电池设计放大到21700电池设计时，发现需要将间隙从5 mm增加到8 mm 。
6. 电池外壳保护要点总结
1. 防止火焰和火花的出口：
指南5（防止火焰和火花从电池外溢）旨在限制电池外部的损害，减少伤害并降低燃烧强度。 2. 完全封闭的不可行性：
在大多数情况下，完全封闭的热失控（TR）事件并不可行，完全封闭的TR事件会导致爆炸危险。 3. 气体和颗粒的排放：
在开放系统中，气体和颗粒会通过阻力最小的路径从电池外壳排出，但应在排出前处理流动的材料。
拥有曲折和/或过滤的通风路径（Fig. 2 (g)-(h)）能够抑制火焰和颗粒的喷出。 4. 清晰的排放路径：
为喷射气体和颗粒提供清晰的排放路径，能够减少对电池组件的不利喷射物沉积。 5. 密封电池外壳：
在实施流动限制时，需密封电池外壳以仅通过预定路径进行流动。 6. 气体生成量的估算：
可通过量热计数据估算单个电池生成的气体量，并结合电池的自由体积空间，估算由于封闭电池组内的高压所造成的机械负载。 7. 用户的安全隐患：
需要注意的是，即使有适当的外壳设计，用户仍然可能面临有毒气体的风险。 1. 数学建模的重要性：
数学建模在指导多种电池和热失控（TR）传播测试设计中发挥了关键作用。 2. 热失控量热计数据：
使用分数热失控量热计（FTRC）数据提取热生成曲线，以用于模型预测热失控事件中触发电池的温度，包括独立电池和电池组内的情况。 3. 电化学模型：
基于反应动力学的电化学模型结合实验热量测量的量热曲线，能够预测正常充放电循环中的电压曲线和温度动态。 4. 电流守恒方程与热模型结合：
电流守恒方程与热模型的结合对减少接线电阻和优化几何形状起到了重要作用。 5. 电热模型指导接线设计：
电热模型指导接线设计，最小化寄生质量。 6. 最坏情况下的触发电池位置识别：
热失控模型能够识别最坏情况下的触发电池位置，指导热电偶的放置，基于预测的热梯度。 7. 3D和2D模型的应用：
高级的三维和简化的二维模型被用于优化电池间距、电池与电池组的接口，以及识别接口处的绝缘层。 8. 实验结果的基础：
这些模型是基于实验结果建立的，指导初始设计，并根据实验数据进行设计迭代。
7. 热失控传播测试的模拟指导要点总结
8. 现场相关的热失控传播测试要点总结
1. 电池工作环境与失败机制：
电池的工作环境和潜在的失败机制决定了测试电池安全要求所需的关键失败模式。防止热失控传播日益成为验证和安全测试的要求。 2. 内部短路测试：
真实的内部短路测试被认为是准确量化短路失败模式及其影响的必要条件。 3. 电池级热失控测试：
在“类似飞行”的电池中放置指定的“触发”电池，对电池和外壳进行仪器监测，推动触发电池达到热失控，观察热失控过程中时间和空间分辨的温度曲线，评估电池组件和单个电池的损坏。 4. 触发单电池热失控的方法：
触发单电池热失控的选项包括钉子穿透、加热、过充以及在电池内部植入短路装置。每种方法都有缺点：
过充需要对触发电池进行电气隔离，且热失控反应发生在无关的充电状态下。 钉子穿透穿透电池外壳并压住电芯，无法捕捉某些相关的热失控喷出物反应。 加热单个电池难以执行而不影响相邻电池的热响应。 电池制造商通常不愿意植入由NREL和NASA发明的按需蜡短路装置，但该装置在超过57°C时能可靠地产生单点电池内部短路导致热失控。
5. 测试协议：
测试协议可以利用多种启动方法，以确保测试程序的保守性。
6. 热失控传播测试情景：
测试应包括在电池面临最极端环境或可能导致最大后果的情景中，推动单个电池达到热失控。
7. 触发电池位置选择：
考虑触发电池位置时，应选择邻近电池数量最少或最多的位置、靠近电池之间高电压差的位置，以及靠近电池防火通风口的位置。
8. 测试单位设计要求：
PPR测试单元的设计不需要是最终电池设计的全尺寸复制品，但必须包含所有显著特征，包括机械、热和电池电池接口、热失控喷出物路径以及电池外壳压力释放/通风口。
9. 测试单位电池的容量与能量：
在开始单电池热失控PPR测试之前，应确定测试单位电池的容量和能量。测试后，应评估与热失控电池相邻的电池健康状态。
10. 成功标准：
当前的成功标准是没有电池之间的热失控传播，且相邻电池的性能降级不超过5%。
如果未满足5%的标准，则需要对电池进行拆解，以对相邻电池进行深入评估（视觉检查、容量/能量循环）。
如果发现>1个相邻电池的容量下降>5%，则需要进行两倍数量的PPR测试以增强对电池设计较低PPR边界的信心。
重要结论
电池设计中热失控传播耐受性与最佳功能要点总结
电池设计对热失控传播的影响：
电池组中电池单元的设计高度依赖于热失控传播的耐受性及其最佳功能。通过识别相关的电池失败场景，能够直接为电池开发提供指导。
开发流程：
采用建模、子尺度测试和逐步全尺度电池测试，开发能够耐受热失控并满足应用要求的电池。
安全设计五项指导原则：
减少侧壁和旋转槽破裂的风险：
在大多数电池包设计中，应使用直接结构支撑以抑制或控制侧壁和旋转槽的破裂。
提供足够的电池间距和散热能力：
电池间距影响热量散发和喷出物的控制。合适的间距取决于电池类型、放电/充电速率、间隔材料及预期失败模式，目的是在正常工作和热失控期间有效散热。
保护相邻电池免受热喷出物的影响：
热失控电池喷出的高温材料对保护相邻电池的设计特征可能造成毁灭性冲击。设计时需考虑将单个电池的喷出物导向足够的间隙和不穿透的防护板。
为单个电池或系列电池串配备熔断器以降低短路风险：
电池内部短路会导致相邻并联电池的外部短路。热失控喷出物具有导电性，可能诱导环流电流，降低热失控传播的安全边际。熔断器或熔断链接是一种可靠的被动实施措施。
使用防火功能防止火焰和火花从电池外壳逸出：
尽管根据前四项指导原则可以遏制传播，但单个电池的热失控事件仍可能导致火焰从设计不当的电池外壳逸出。必须确保电池与外部环境之间有足够的路径和每个电池之间有足够的空隙。电池与环境接口处，火焰和火花应通过曲折和防火的通风特征进行抑制。
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