孔得朋教授，EnSM综述：不同尺度锂离子电池热失控建模的最新进展与展望

第一作者：彭荣琦

通讯作者：孔得朋*

单位：中国石油大学（华东）

随着公众期望的提高和应用场景的日益复杂，若干数量的锂离子电池（LIBs）以串并联方式组装成模组/电池包以提高储能容量，进而组合成更大规模的储能系统。然而，锂离子电池的大规模应用正面临着前所未有的挑战。意外的电气、热或机械滥用将引发严重的LIBs热安全问题，导致不可控的热失控（TR）事件。TR事件会加速电池内部材料的快速分解，触发链式放热反应，进而引发火灾或爆炸。

在TR研究领域，数值模拟凭借低风险和成本适当等优势，成为研究LIBs的TR特征和机制的关键方法之一，是推动LIBs热安全设计的重要工具。早期的TR建模工作主要集中于单个电池或单一尺度，无法完全预测大规模应用中多种物理现象可能同时发生的多电池失效。本研究多尺度系统性回顾了锂离子电池的热失控建模方法，并为热失控建模的未来发展方向提出了自己的见解与看法，期望为致力于开发下一代热失控模型的研究人员提供指导思路。

近日，来自中国石油大学（华东）的孔得朋教授课题组，在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Thermal runaway modeling of lithium-ion batteries at different scales: Recent advances and perspectives”的综述文章。该文章如图1所示，按LIBs尺度由粒子级、单体级、模组级与系统级依次全面回顾了LIBs的TR演化过程、潜在机制与建模研究。伴随着多尺度、多物理场耦合模型的发展趋势，提出了具有价值见解的若干加速TR建模方法以适应该趋势的策略。

锂离子电池通常由正极、负极、电解质、隔膜和集流体组成。在标准操作条件下，锂离子迁移和电化学反应将导致电池温度升高，基于能量守恒定律与产热动力学出发详细阐述了用于预测该过程的各类模型。当电池暴露于滥用场景下，加剧的内部电化学副反应将显著产热并引发热失控事件。为利于理解热失控机制，详尽解释了电池材料间各类副反应现象，包括SEI分解、电解质与正/负极材料间的反应、隔膜熔化等，并引出了基于阿仑尼乌斯方程的反应动力学模型，探讨了用于估算动力学参数的各种实验和计算方法，以及涉及的挑战，旨在准确预测热失控行为。

触发热失控的滥用场景可大体划分为三类：（1）碰撞、弯曲与穿透等导致的机械滥用，（2）过充、过放以及内外部短路导致的电滥用，（3）过热或火灾导致的热滥用。其中，机械滥用和电滥用将进一步表现为热滥用。对于各类滥用场景，系统性回顾了触发电池热失控的条件、演变特征和建模方法。其中多物理场耦合模型要综合考虑热、电与机械等子模型间的相互作用以实现对热失控触发的精准预测。热失控触发后，链式副反应会产生各类分解气体，同时液态电解质由于高温而蒸发，进一步推动内压升高，直到安全阀被激活，气体夹带电池材料的破碎颗粒形成多相射流而喷出。由于射流的可燃性，一旦接触点火源或者达到点火温度，它将被点燃形成喷射火。这些由电池产气引发的一系列现象的演变过程、潜在机制与最新的建模研究被全面回顾与分析。

当模组内第一个电池触发热失控后，释放的大量热量将通过热传导、对流或辐射等方式传递给相邻电池。一旦达到相邻电池热失控副反应的起始温度，热失控将传播蔓延进而引发模组内的多米诺效应，最终导致整个模块的失效。由于传播过程的复杂性、高非线性与不确定的干扰，预测热失控传播具有挑战性。传统建模方法包括热阻网络模型和3D数值模型，新兴技术之一的数据驱动方法也逐渐被应用于捕获热失控传播的特征。三种方法的建模过程、独特优势与适用场景被详细阐述，并讨论了影响热失控传播的各类现象与对应的建模研究。

锂离子电池模组通常进一步应用在储能系统，如电动汽车与储能电站。由于系统内部电池密度较高，一旦发生热失控传播事件，将释放大量可燃气体，点火后将导致大规模火灾甚至爆炸事故。在系统内部的热失控传播过程中，可燃气体释放与扩散的建模研究得到详细回顾，并概述了范式建模结构。随后分析了系统级的火灾蔓延建模研究，包括电动汽车、储能电站与仓储等不同应用场景。最后介绍了与热失控气体爆炸相关的实验和仿真研究，重点聚焦储能电站场景，强调了防爆通风设计的重要性。

由于锂离子电池热失控的高非线性带来的复杂性，热失控建模涉及到热力学、机械力学、电化学和流体动力学等众多学科，由此构建出了不同类型、不同精度的模型来描述电池热失控的各类现象。越来越多的研究强调了多物理场耦合模型的重要性，该类模型有助于整合各种物理现象，以更加现实地模拟来深入了解不同现象与机制间的相互作用，代表着未来一个重要的发展趋势。除了多物理场耦合模型，多尺度模型也得到了进一步发展，以满足应用规模的不断扩大。如图2所示，本研究围绕计算精度和效率的平衡、机器学习的结合、仿真与现实的连结、开源热安全数据库的构建四个方面提出了自己的见解。

“Thermal runaway modeling of lithium-ion batteries at different scales: Recent advances and perspectives”

彭荣琦，中国石油大学（华东）安全工程在读博士生，主要研究方向为锂离子电池热失控及排气燃爆实验与数值模拟，在Energy Storage Materials、Energy Conversion and Management、Fuel等期刊发表论文。

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