【研究背景】
由于鋰離子電池（LIBs）對整個世界經(jīng)濟和技術(shù)發(fā)展產(chǎn)生了革命性影響，其發(fā)明者因此獲得2019年諾貝爾獎。同時鋰離子電池正在迅速成為電網(wǎng)和電動汽車能量儲存和動力傳輸系統(tǒng)的主要組成部分，鋰離子電池的發(fā)展速度正在加快，它們在小型電子設備（如智能手機、平板電腦和電腦）、電動化交通（電動汽車）和大型儲能系統(tǒng)（電網(wǎng)）等方面得到廣泛應用。預計未來十年全球鋰離子電池產(chǎn)量將持續(xù)增長，增長幅度為4倍到10倍的范圍（如圖1）。
圖1. 未來十年鋰電池全球產(chǎn)量的預期增長。
材料性能的進步提高了電池的比能量和動力傳輸能力，因此有希望進一步擴大它們的用途。與此同時，人們已經(jīng)認識到，在鋰離子電池從制造到工作再到資源回收的整個生命周期中，需要繼續(xù)努力來提高LIBs的安全性。單個電池中的熱失控（TR）和電池間的熱傳播是導致鋰離子電池不穩(wěn)定的兩個潛在因素，可能會降低其熱安全性。TR發(fā)生在單個電池中，也可能會在多電池中傳播。TR傳播可導致爆燃、破裂和排氣，對設備和用戶造成嚴重后果。電池熱管理是提高該技術(shù)整體安全性的一個重要方面，主要目標是預測、預防和減輕LIBs中TR和電池間TR傳播兩種熱能效應。但是大多數(shù)電池管理系統(tǒng)通常包括安裝在選定電池上的幾個熱敏電阻，以監(jiān)控它們的表面溫度，這種方法并不能跟上能量存儲和動力傳輸能力的發(fā)展。
【成果簡介】
近日，美國約翰斯·霍普金斯大學Rengaswamy Srinivasan教授（通訊作者）對鋰離子電池熱管理工作，包括傳感器和直接測量電池內(nèi)部溫度的方法進行概述。在這篇綜述中，作者基于原因分析和經(jīng)驗證據(jù)，表明電池中的熱失控和電池間的熱傳播是由于電池內(nèi)部物理和化學特性的不利變化造成的。追蹤電池內(nèi)TR前后變化，對電池間TR傳播的復雜途徑成功建模和繪制。防止TR和熱傳播的創(chuàng)新解決方案正在提出，其中包括用于快速監(jiān)測每個電池內(nèi)部狀況的現(xiàn)代電池管理系統(tǒng)，以及物理和化學方法，以減少TR情況下電池間熱量和物質(zhì)快速傳輸?shù)挠泻τ绊?。相關研究成果以“Review-Thermal Safety Management in Li-Ion Batteries: Current Issues and Perspectives ”為題發(fā)表在Journal of The Electrochemical Society上。
【核心內(nèi)容】
1. 數(shù)學模型
通過更清楚地了解鋰離子的組成部分，使用各種數(shù)學和計算模型來更好地解釋熱安全性。這些包括對電池內(nèi)部在排氣和TR前后發(fā)生的個體反應設計確定的模型，如多電池解決方案中電池設計和包裝結(jié)構(gòu)的計算流體動力學(CFD)模擬，可燃性極限和高通量篩選研究，將材料的實際信號與系統(tǒng)響應聯(lián)系起來。同樣的，在系統(tǒng)中，使用反饋到電路模型參數(shù)的傳感器故障檢測，量化故障概率的數(shù)據(jù)驅(qū)動方法，通過故障模式或類似方法進行風險評估，基于云端的故障診斷工具，以及跨越不同電池形式和化學物質(zhì)的趨勢。
但是預測TR存在一些關鍵問題，包括其出現(xiàn)的頻率極低、缺乏對熱失控的一致定義，導致實驗室規(guī)模的測試結(jié)果和現(xiàn)實情況不匹配，并且隨著電池測試物品的尺寸和復雜性的增長，用于測試的預算顯著增加。因此，機器學習或大數(shù)據(jù)分析等模式識別方法可以獲得有限的訓練數(shù)據(jù)集，從而產(chǎn)生足夠信賴的結(jié)果。另一方面，即使在仔細控制了測試設置和操作人員的可變性之后，機械濫用測試結(jié)果的結(jié)果也不是一直確定的。這種情況下，分析系統(tǒng)級測試結(jié)果對特定設計參數(shù)的敏感性是非常有用的。從這些試驗中獲得的參數(shù)的區(qū)間作為數(shù)學模型的輸入，并可用于建立安全圖，顯示由每個參數(shù)導出的故障概率的相互作用（如圖2）。
圖2. 通過數(shù)學模型構(gòu)建的通用“安全圖”
2. 智能電池管理系統(tǒng)（BMS）
BMS-iPROUD的概念示意圖如圖3所示，iPROUD的作用不僅接收來自BMS的信息，還通過雙向通信通道接收來自負載和電網(wǎng)的信息。iPROUD設備的目標是調(diào)節(jié)電池從電網(wǎng)接收和存儲能量的速率，以及電池支持負載的速率。BMS具有每個電池的內(nèi)部狀態(tài)（如電壓、溫度、阻抗等）的傳感器，監(jiān)視和管理電池中的每個電池，并將這些數(shù)據(jù)輸入到iPROUD中。它使用這些數(shù)據(jù)將每個電池的內(nèi)部狀態(tài)與電池的功能性能聯(lián)系起來，并將數(shù)據(jù)與從負載接收的信息相結(jié)合，決定電池可提供的電力支持水平。它對電網(wǎng)與電池的相互作用做出類似的決定。如果BMS檢測到電池中任何一個電池的內(nèi)部狀態(tài)異常，那么iPROUD將不允許給異常電池模塊充電，直到電池狀態(tài)恢復正常。
圖3. 與BMS協(xié)同工作的iPROUD原理圖
如圖4所示為快速充電的例子，利用電池內(nèi)部溫度來決定充電的過程。電池快速充電不僅方便了電動汽車，而且在電網(wǎng)應用中也是必不可少的。它也是一個操作參數(shù)，可以增加電池內(nèi)部溫度，潛在地加速電池老化，推動它進入TR和排氣。試圖使用表面溫度作為參數(shù)來保護電池不排氣可能會產(chǎn)生誤導，因此是有害的。圖4中的數(shù)據(jù)是由電池中的一個電池單元(5.3 Ah)，開始以接近2 C的速率充電。這個例子中的電池通常以0.7 C的速率充電，完全放電后大約需要120 min才能充滿。當溫度提高到35℃以上時，iPROUD將電流轉(zhuǎn)換為零，使電池內(nèi)部冷卻，并在其他時間將充電速率限制在0.7 C和0.5 C，電池完全充電的總時間是95 min。相反，如果選擇電池表面溫度作為參數(shù)，并將其限制設置為35℃以切斷電流，則溫度會增加到一個更高的值，會加速電池老化，導致電池熱失控。iPROUD將溫度和電池電壓作為控制參數(shù)，通過電池的電解質(zhì)和電荷轉(zhuǎn)移電阻以及庫侖容量以改善電池管理，從而獲得更高的安全性、長壽命以及能量存儲和動力傳輸效率。
圖4. 通過限制電池內(nèi)部溫度并將其作為充電過程中的控制參數(shù)之一，可減少25%的充電時間。在所示例中，5.3 Ah電池的充電速度比推薦的速度更快，同時限制溫度小于35℃，電池電壓在4.2 V。
【結(jié)論展望】
總而言之，鋰離子電池是目前最有效的能量存儲和動力傳輸電化學系統(tǒng)，它們也是最難管理的系統(tǒng)，尤其是從熱安全的角度來看。市場需求推動著鋰離子電池和電池制造以不斷增長的速度發(fā)展，越來越多的設備因電池故障而經(jīng)歷更大的火災。為了防止火災，鋰離子電池依賴于BMS，但大多數(shù)鋰離子電池的BMS設計都是仿照過去使用的NiCd電池、NiMH電池、鉛酸電池和其他水系電池設計，在這些電池中由于通風、易燃的電解液而沒有風險。然而，鋰離子電池中發(fā)生火災的機制是完全不同的，因此適用于水系電池的BMS設計不適用于預測鋰離子電池內(nèi)部的變化。針對鋰離子特定和以安全為中心的BMS設計所需的先進技術(shù)已經(jīng)可用，工業(yè)和使用者都需要認識到這些事實，并采用當今的傳感器技術(shù)和積累的科學知識來安全地管理現(xiàn)代電化學系統(tǒng)。
Rengaswamy Srinivasan?, Plamen A. Demirev, Bliss G. Carkhuff, Shriram Santhanagopalan, Judith A. Jeevarajan, and Thomas P. Barrera, Review-Thermal Safety Management in Li-Ion Batteries: Current Issues and Perspectives, Journal of The Electrochemical Society, 2020, DOI:10.1149/1945-7111/abc0a5
