摘 要

锂离子能源电板看成新能源汽车的平直能量来源，对整车的安全性和耐用性起到决定性作用。跟着社会发展对能源电板能量密度和使用环境要求的握住提高，以热失控为代表的能源电板安全事故频发，严重甩掉新能源汽车的大限度普及。因此，深入计划能源电板热失控机理并优化相应的热顾问技能成为亟待惩办的问题。本文从锂离子能源电板热失控场面动身，系统转头热失控的演化过程，阐明机械、热、电及内短路导致电板热失控的机制。基于此，本文全面转头现在对锂离子能源电板热顾问技能的计划念念路，并对改日提高锂离子能源电板系统安全性的策略进行计算。

关键词：锂离子能源电板；热失控；热顾问；内短路

能源电板热失控计划真谛真谛

《新能源汽车产业发展贪图（2021—2035年）》指出：发展新能源汽车是我国从汽车大国迈向汽车强国的必由之路，是移交表象变化、推动绿色发展的策略举措。中国看成现在大众新能源汽车最大的产销量和保有量市集，2019年寰球新能源汽车的销售量达到130余万辆（占大众总量的60%），2021年销售量增至300余万辆[1]。以锂离子电板（Lithium Ion Batteries，LIBs）为代表的锂离子能源电板（以下简称“能源电板”）因能量密度高、使命温度范围广、绿色环保等优点被平庸用于电动汽车。跟着社会的发展需求的提高，消费者对电动汽车的续航里程、使命温度范围要求越来越高，传统LIBs不成称心发展要求。LIBs体系从稚子量密度的磷酸铁锂正极（~160 W·h/kg）转向具有更高能量密度的三元正极（~220 W·h/kg），但计划东谈主员发现三元正极开释的热量及发生热失控的风险远高于其他体系电板。因此保险高能量密度的同期兼顾高安全性是电动汽车认知发展的高大前提。

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能源电板热失控是指电板单体放热四百四病引起电板温度不可控飞腾的场面，其平方由机械、电、热等因素单独大约共同耦合诱发。频年来，对于能源电板的热失控机理计划及优化有计算照旧成为能源电板计划界限的要点场地。国表里计划者基于巨额的实验探究、机理分析及安全策略对能源电板的热失控场面进行了巨额的探究，并初步建造热失控触发机制、演化模子及安全预警机制，为电动汽车的大限度发展奠定了坚实的表面基础。近两年，在能源电板的安全顾问方面又显现了稠密新技能和方法[2]。基于前期国表里巨额计划综述及对于热失控计划的最新驱散，本文通过剖析能源电板热失控的过程及机制，探讨能源电板安全顾问的技能及策略。

能源电板热失控诱因

凭据事故车辆所处的景色可将热失控原因归结为机械诱因、电诱因、热诱因及内短路，相互间因果关系如图1所示[3，4]。常见的能源电板热失控的过程，率先是电板组内某一单体电板因机械滥用、电滥用、热滥用等因素导致其发生局部的剧烈升温，累积巨额热量的单体电板形成的高温及活气将会激励周围单体电板发生热失控，从而导致热失控场面在电板组里面延长。

图1 能源电板热失控的事故原因及关系滥用诱因[3, 4]

2.1 机械诱因

热失控的机械诱因主要分为挤压、针刺、碰撞等[5, 6]。计划标明，在外力挤压景色下电板里面的隔阂会出现断裂，形成的正负极短路会激励剧烈的电化学反应，外电路进展为电压下跌。在这一过程中，跟着执续挤压，电板里面材料会履历刚度增多特地限、电极材料出现裂纹、阻止断裂、活性物资剪切失效、活性材料从集流体上零星，从而形成内短路。有计划标明，单体电板中正极材料的刚度最大，在外力挤压的景色下来源出现结构问题。与挤压载荷访佛，针刺载荷导致的平直驱散亦然能源电板的在针刺点短路，短路区产生的巨额焦耳热会在电板里面形成局部高温热区。在针刺实验过程中，针刺的位置、深度、尺寸及久了景色王人会影响能源电板内短路形成的旅途。此外，碰撞引起电板组发生的壳体变形糟塌导致的电解液走漏问题也会增多电板组外短路的风险，从而提高能源电板失效的概率。

2.2 电诱因

电诱因导致能源电板热失控包括外短路[7]、过充电[8]、过放电[9]，三者激励热失控的过程及机理敷裕不同。外短路导致热失控的主要原因是欧姆热激励电板里面温度升高和外电路电流增多。Spotnitz等[10]转头了由外短路引起热失控的机制，合计热失控发生的主要原因是欧姆热激励电板里面温度升高和外电路电流增多。在车载能源电板的使用过程中，外短路导致热失控发生的情况比较常见，当电板组内混入导电介质或因振动导致电板组错位搏斗到非绝缘组件时，均会激励外短路。

过充电是指充电过程中，电板组内某一单体电板在进步截止电压后仍继续充电，形成电板电压高于截止电压。过充激励热失控的原因分为两个方面：一是产生巨额的焦耳热，另一个是副反应产生的巨额反应热。焦耳热主要来自过充电导致的电板内阻急速增多，Saito等[11]不雅察到大倍率充电过程中发烧量更为严重。此外，Lin等[12]揭示了过充电引起副反应的机制，即过充电会导致过量的锂搬动到负极提醒锂枝晶滋长，正极则因锂离子重度脱出而激励晶格塌陷并开释巨额O2，O2在较高温度下更容易与电解质发生反应进而开释出更多气体，并奉陪产生反应热。Zeng等[8]以LixCoO2为例，计划发现x=0.16是正极材料晶格坍弛的临界点，还发现电板里面电解质的量与热失控发生时热量顺心体产生量正关系。Xu等[13]以LiFePO4为例作念过充电测试，以10％过充电容量轮回，10次轮回后容量跌为0；在轮回后的正极材料名义不雅察到铁金属颗粒。现时计划对过充电引起容量下跌的机理仍处于计划初期，关系使命仍需进一步激动。

过放电激励热失控的机理是电板发生内短路。因为制造或使用不当会导致电板间的不一致性，在串联电板组内，电压最低的单体电板会被其他串联的单体电板强行放电，导致其电压变成负值。在单体电板里面，过放会导致巨额锂离子从负极脱出镶嵌正极，固体电解质界面膜（Solid Electrolyte Interphase, SEI）发陌生解[9]；与此同期，过放导致正极电位握住镌汰而负极电位握住升高，当负极电位约为3.4 V时，负极铜集流体启动发生溶化；溶化的铜离子通过隔阂搬动到正极并千里积形成铜枝晶，形成电板内短路的发生。Guo等[14]计划发现溶化的铜离子会在正极侧形成具有低电位的铜枝晶，握住滋长的铜枝晶极易刺穿隔阂导致严重的内短路。故障电板组再次充电时，锂离子从正极的脱出阻力变大形成内阻的急剧增多，同期会消耗巨额的锂离子形成新的SEI，导致容量快速衰减。

2.3 热诱因

热诱因导致的热失控一般是由机械诱因和电诱因发展而来的，电板组内元件之间的搏斗问题亦然热诱因发生的原因[15]。举例，电诱因中电板组的过充和过放均会导致里面产热不一致，使电板组出现温度不均匀的情况。电板组内单体电板之间的搏斗、电板组之间邻接元件的搏斗均存在搏斗电阻，当某个搏斗点出现问题很有可能导致电板组内阻增多，从而出现局部过热的危境情况。Zheng等[16]和Taheri等[17]计划发现邻接器搏斗松动和电极—集电极搏斗不良均会增多热失控发生的可能性。此外，计划者发现电板内过热导致正极材料开释的氧气能与收复性的LiCx发生反应并奉陪较高的热量产生，阐明了在未发生严重内短路的情况下，电板内副反应的发生亦然热失控的潜在危境[18]。

2.4 内短路

内短路是指单体电板内因隔阂失效导致的正负极平直搏斗，在电势差及温度影响下激励剧烈的电化学反应并奉陪巨额热的产生。内短路是热失控诱因中的一个共性因素，前边提到的机械、电、热等诱因导致热失控的过程中均会履历内短路[19, 20]。因此，电板内短路发生的原因可分为三种：（1）电板外部诱因导致内短路，举例挤压等机械原因形成的隔阂形变和扯破，过充/放等电滥用形成的枝晶刺穿隔阂，和热滥用导致高温激励的隔阂迂败坏形变。（2）电板内杂质颓势导致内短路，举例电极材料中的金属杂质、拼装环境中的粉尘、模切时未实时排斥的毛刺等问题。（3）相配规使用导致内短路，举例电板组常常的在过高/低的温度大约快充条款下使用，会导致负极材料出现锂枝晶刺穿隔阂从而形成电板的内短路。 除了前文提到的机械诱因、电诱因、热诱因等外部诱因通过激励内短路进而导致热失控外，电板老化也会对安全性存在胁迫。电板的老化分为轮回老化和储存老化，电板轮回老化老是奉陪正极材料结构损坏、电极材料不可逆相变、活性材料与电解质发陌生解等[21-23]，导致电板容量衰减和内阻增多，使电板系统安全性能阑珊；存储环境会导致电板内阻增多发生老化。Liu等[22]系统地计划了LIBs的老化机制及会诊，并申诉了其老化机理以及退役LIBs再行诓骗（锂离子电板老化机理及概括诓骗）。此外，电板制备过程中工艺及身分上形成的电板颓势也会导致电板短路、容量衰减。

能源电板热失控是一种由电板里面温度急剧飞腾而导致的电板本人出现一系列不可逆的失效场面（如容量衰减、电板变形/离散、电板热失控活气等）。图2为电板里面机理失效图[24]，分析发现电板发生容量阑珊、内阻增大等场面的本体原因是里面各组分之间复杂的电化学副反应。以石墨为例，LIBs负极材料失效机理不错分为SEI膜滋长、锂千里积和活性物资不可逆零星。SEI膜形成于电板前几次充电中，用于传输锂离子并遏制电解液的进一步领会。电板轮回中锂离子屡次在石墨材料中的脱嵌会导致石墨层被剥离，导致SEI膜执续增长、电板内阻增多及容量减小[25]；而石墨层的过度剥离会导致石墨材料颗粒幻灭、零星从而损比好意思量。锂千里积是指充放电过程中，锂金属千里积在负极名义，产存一火锂、不可逆锂等形成容量蚀本，也可能形成锂枝晶，严重时刺穿隔阂引起电板内短路。常用的LIBs正极材料主要不错分为锰酸锂、磷酸铁锂和三元材料等，其退化机理各有不同[7]。总的来说，不错转头为正极材料颗粒在轮回过程中引体积变化催生的微裂纹导致阻抗增多，同期电解液的渗透及进一步反应导致正极与电解液之间的领会反应及过渡金属离子溶出，导致电板性能下跌及产热问题。

图2 锂离子电板失效机理暗示图[24]

能源电板热失控机理

跟着热失控的慢慢发展，电板内将履历如下过程[18, 26]（图3）：SEI膜的领会、电解液与负极的反应、隔阂熔化、正极领会、电解质领会、粘结剂领会及电解质的毁灭等，热量主要来自复杂的化学反应（~98%）。分析计划巨额实验驱散后，计划东谈主员转头出四个电板热失控的共同温度特征来量化热失控过程，{T1，T2，T3}和max{dT·dt-1}。非常发烧肇端温度T1反应能源电板举座热认知性，热失控触发温度T2取值于升温速率突变迤逦点，热失控中最高温度T3知道热失控照旧达到临了阶段，最高升温速率max{dT·dt-1}与电板样品的能量密度正关系。基于这四个温度特征值及能源电板实践使命环境，热失控过程不错分为四个阶段。

图3 能源电板热失控机理及经过[18, 26]

第一阶段（T<0 ℃），此阶段的潜在诱因为低温充电过程中负极镀锂和锂枝晶的产生。低温环境会镌汰电解液的电导率、增多电极膜阻抗，影响电板内离子的迁徙速率进而导致锂枝晶的产生，锂枝晶会加快副反应（Li/有机溶剂反应）的发生。因此，“电板加热”技能在电板顾问系统中成为了计划的要点。第二阶段（0 ℃~90 ℃）是能源电板的正常使命温度区间，电板内的电化学反应等均处于正常景色。此阶段内电板里面的发烧量很小（升温速率低于1 ℃/min），总热量产生是可逆热（电化学反应放热）、不可逆热（欧姆热和极化热）以及羼杂热（副反应热）的总数。若电板组的使命环境散热性能差或使用不范例（快充、大功率放电等）会激励电诱因形成电板内短路，累积更多的热量。随之干与热累积阶段，又叫自生热阶段（90 ℃~220 ℃）。当温度高于非常发烧肇端温度T1时，能源电板内副反应会执续发生并开释巨额热。此阶段的热失控发展过程不错精真金不怕火归纳为SEI膜领会、隔阂熔化、Li/LixC6与电解液反应等，其中隔阂熔化被合计是热失控的启动。干与热失控阶段后（220 ℃<t<850℃），隔阂熔化会导致相配严重的内短路，升温速率速即升高（>10 ℃/min，热失控触发温度T2），过多的热量累积进一步导致电解液的毁灭，电极之间的化学串扰等放热反应。至此干与热失控的断绝阶段，剧烈的反应生成巨额气体同期开释巨额的热，加热后速即彭胀的气体打破电板芯壳体，发生物资喷射致使毁灭，这一列四百四病王人是在刹那间完成的。

能源电板热安全性进步

4.1 电板关键材料优化

4.1.1 正极材料

正极材料在热失控中主要的参与的放热反应包括：正极材料的领会及O2的开释，这些是形成能源电板活气爆炸的主要原因。Jung等通过一系列计划阐明了三元正极材料（LiNixMnyCozO2，NCM）中O2的开释对于电板热安全及轮回认知性的影响。计划发现正极材料中O2的开释是H2-H3相变引起的，析出的晶格氧会与电解质发生化学反应，生成CO2和CO等气体；荷电景色达到81%时正极材料中O2启动析出，析出量跟着温度的增多渐渐升高[26, 27]。增强正极材料热认知性的策略主要包括：结构瞎想、名义掺杂包覆等。本课题组在提高正极材料热认知性方面作念了巨额使命。掺杂方面，咱们瞎想了一种通俗的原位修饰策略，得胜的将与晶格氧有高纠合能的硼原子引入NCM811一次颗粒的近名义（图4C）。掺杂后形成的B-O键灵验镌汰了氧的电负性，遏制了O2析出，热认知性也有了显着的进步[28]；包覆方面，在NCM正极名义构筑压电包覆层，实时将轮回中NCM二次颗粒里面的应力应变涟漪为周期性变化的界面局域电场，灵验进步了相变可逆性（图4B）[29]。同期，压电包覆层可缓解NCM晶格变化，认知其力学性能，遏制粒内/粒间裂纹及氧析出，减少电极—电解质界面副反应发生，从而提高了电板安全性[30, 31]。

图4 关键材料改性计划[28, 29, 32, 34, 35, 40, 42]

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4.1.2 负极材料

热失控过程中，负极材料主要参与的放热反应包括：SEI领会、镶嵌负极的锂与电解液和粘结剂的放热反应，其中SEI领会对应的温度被合计是热失控的启动的特征温度。巨额计划阐明，为了提高负极材料的热认知性，名义涂敷、结构优化是最常见的方法。Luo过甚联结者[32]在传统石墨碳负极名义引入高极性β采集偏二氟乙烯（Poly(Vinylidene Fluoride)，PVDF）看成涂层材料来减缓锂枝晶的形成，PVDF涂层形成的光滑的界面灵验镌汰了负极材料的名义搬动阻抗，进一步提高电板的热安全性和电板性能（图4A）。除了团员物材料，金属、金属团员物、新式碳材料等材料的包覆和掺杂，亦然提高负极材料的热认知性常见的方法。开发新式具有高热认知的负极材料亦然计划的进军场地，碳化硅陶瓷、Li4Ti5O12等新式电极材料的探究为电板的安全性提供了新的计划场地[30, 33]。此外，镌汰负极的嵌锂量也不错相应的镌汰镶嵌负极的锂与电解液的反应，还不错遴荐合适粘结剂来幸免镶嵌负极的锂与粘结剂的放热反应。

4.1.3 电解液

可加入功能性添加剂或研发新式电解质盐来遏制电解液的领会和毁灭。电解质的功能性添加剂不错分为阻燃添加剂和过充保护添加剂：阻燃添加剂从身分上不错分为有机磷化合物、含氮化合物、碳酸酯类、硅烷等，通过遏制温度提高其热认知性；过充添加剂从作用机理上可分为氧化收复对型和电团员性，通过将电板电压甩掉在一个可控范围内而已矣高热安全性。Xu等通过实考阐明在1.0 M LiPF6 EC/DMC/DEC (1/1/1，weight ratio)中加入1% DMAc不错灵验增多电解质和SEI层在85 ℃的热认知性和历久性（图4D）[34]。开发具有高的热学、化学认知性的锂盐和溶剂是提高能源电板热认知性另一灵验方法。Zhang等[35]开发了一种新式的聚离子液体看成溶剂，它的热领会温度在202.7 ℃，很大程度上提高了电解液的领会温度（图4E）。此外，新式电解液如离子液体、团员物电解液等是提高LIBs热安全性的另一类灵验策略。

固态电解质具有高的热认知性和不可燃性，因此用它取代传统的液态有机电解质有望从根底上惩办LIBs的安全问题。现在固态电解质基本上不错分为三大类：团员物、氧化物和硫化物。其中，以聚氧化乙烯（Polyethylene oxide，PEO）为代表的团员物电解质上风在于优异的界面相容性及机械加工性；而应用中面对最大的问题在于本人常温电导率较低导致其使命环境需要保执在60 ℃以上。氧化物和硫化物统称为无机固态电解质，它们具有机械强度高、阻燃性强、使命温度范围广等优点；但是固态电解质面对最大的问题即是电解质/电极界面搏斗较差。关联词，固态电解质买卖化谈路上最大的贬抑是较差的离子电导率无法达到买卖要求，相较有机液态电解质仍有较大差距。更多计划标明，将固态电解质与极少液体电解质纠合形成准固态电解质可能是同期提高安全性和电化学性能的灵验策略[36]。此外，燕山大学黄建宇锻真金不怕火[2]、清华大学何向明锻真金不怕火[37]、中国科学院李泓计划员[38]等在固态电解质的计划方面均得到了较大的进展。

4.1.4 隔阂

隔阂最主要的作用是幸免电板正负电极之间的平直搏斗并提供相宜的离子传输通谈，关联词，现在使用最为平庸的隔阂（聚烯烃材料）面对最大的问题是高温下的疲塌、熔化，导致电板内短路并激励严重的热失控。针对以上问题，计划东谈主员尝试了多种方法来提高隔阂的热认知性，包括对传统隔阂改性和开发新式热认知性材料。Sun等[39]采纳热安全的聚对苯二甲胺纳米纤维包覆在传统聚丙烯隔阂的名义构建了一种热认知且抗枝晶的隔阂。Song等东谈主[40]定向开发了一种纳米孔不疲塌聚酰亚胺隔阂，不错同期遏制电板滥用情况下内短路和化学串扰（图4G）。此外，计划东谈主员在新式隔阂的开发中也取得了较猛进展。Liu等东谈主[41]初度冷落将具有吸热作用的相变材料分装进具有邃密电解液浸润性的中空纳米纤维制备具有热调养功能的隔阂，不但能遏制电板里面温度的急剧飞腾，还可幸免电化学性能的蚀本。Deng等[42]通过超临界干燥技能制备了具有优异性能的新式聚酰亚胺气凝胶隔阂，对比发现基于新式隔阂的电板失控温度可进步30%以上，极地面提高了电板热安全性（图4F）。

4.2 电板单体制造工艺优化

能源电板单体的制造工艺对于电板的电性能和热性能有很大的影响，从电极材料的混料、涂布、辊压和裁片，到拼装、注液、封口和化成，每一步王人有优化的空间。极片烘干时的温度和时期王人需严格戒指，烘干时温度大约时期不及会导致部分溶剂残留和粘结剂溶化，温渡过高容易形成粘结剂碳化，这两种情况均会导致活性物资的脱离形成内短路。拼装全电板时，正极容量过量会导致金属锂在负极名义的千里积，负极容量过量则会镌汰电板的才调密度，实验驱散标明正负极容量比保执在1.1∶1傍边，电板的性能会达到最优。Mei等[43, 44]计划了tab尺寸的优化，以镌汰产热和温度，保执LIBs的热安全性。此外，计划东谈主员还从电极微不雅结构、电板外不雅时事来进一步瞎想以进步电板的热安全性[45]。

能源电板热失控早期预警

能源电板预警机制建造在热失控过程中特征参数的变化，对于进步能源电板使用安全具有进军的真谛真谛。通过转头巨额测试驱散，计划东谈主员发现温度、内阻、里面压力、气体产生、电压、电流等均与热失控演化过程计划。

5.1 温度

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热失控即是指能源电板内局部温渡过高且无法实时扩散所导致的一系列副反应，因此温度可看成判断热失控过程最基本的特征参数之一（图5A）。现时电板组的预警系统许多王人是接管温度传感器，凭据热失控机制设定多级临界温度从而对潜在危境提前预警，最大限定镌汰热失控带来的危害。Yang等[46]通过热电偶对电板名义的温度变化进行检测分析，建造了以温度变化为基础的三级预警传感器，该预警装配具有高效、方便、反映速即等优点。但是，在热失控发生过程中电板表里温差总会形成热电偶等温度传感器不成实时反映，导致预警准确度低。Parhizi等[47]建造了基于热传导分析的电板里面温度跟踪模子，通过实验和仿真发现热失控时期电板表里温差最高可达500 ℃。因而，计划东谈主员将眼神转向红外成像技能、电阻温度检测器技能等在测试精度和检测速率更具出路的技能（图5B）[48]。

图5 热失控过程中不同特征参数变化趋势[49, 53, 54]

5.2 内阻

超出正常使命温度区间后，温度执续增多会导致电板内阻显着进步，发生热失控时内阻则会出现突变，因此内阻也常用作念电板性能检测、健康景色评估。Srinivasan等[49]瞎想了一种基于抗相移快速监测法的LIBs热失控预警方法，通过高折柳率的电化学阻抗仪和频率反映分析仪实时监测电板内阻（图5C）。通过测试驱散分析发现，基于内阻中相移φ部分与电板里面温度关系法例不错已矣对里面温度的在线检测从而预警热失控的发生。凭据热失控演化过程中内阻的相移和温度的变化趋势，发现热失控早期里面阻抗相移对于电板里面的故障比拟于电板温度愈加明锐，进一步阐明了里面阻抗的实时监控不错灵验地已矣热失控预警。但是，除了热失控会形成电板内阻突变，能源电板的日常使用中机械诱因所激励的搏斗不良也会导致电板内阻突变，故仅基于电板内阻来预警电板热失控不够严谨。

5.3 电压

与内阻交流，发生热失控时电板电压会发生非常变化，不同诱因导致电压降的旅途不同，但是最终电压均将至0 V电板失效。Jiang等[50]计划者以高功率NCM(523)/C过充行径为例，阐明了电压平台执续时期与过充率之间的关系性，基于此不错准确预测热失控时期。进一步分析热失控前的时期、温度、电压、内阻等临界值，可笃定热失控危境等第，这为济急预警和大功率电板顾问系统的瞎想提供参考。Wu等东谈主[51]瞎想了一种双功能分离器，通过监测电压变化来预测电板里面的锂枝晶，分离器由三层构成，包括两个惯例分离器之间的导电层。锂枝晶的滋长会穿透侧面惯例隔板与测试层搏斗，发出显着的信号，警示内短路引起的潜在热失控风险。计划者接管曲直时驰念递归神经网罗，计划了一种基于深度学习的电板系统多正向步进电压精确预测方法。驱散标明，该方法具有较强的电板电压预测才调，通过实践运行数据考证所提模子对多样电压非常预测的可行性、认知性和可靠性，从而通过预测电压来评估电板安全性，镌汰电板失控风险[52]。但是，能源电板内导致电压骤降的原因不单包括热失控，里面邻接处的搏斗不良也会激励这种场面，以18 650圆柱形电板包为计划对象进一步阐明了电板内电压的变化相配复杂，因此单一的以电压变化为预警基本参数将镌汰预警的准确性。

5.4 里面压力

当能源电板里面压力进步排气阀耐受的最大压力时，电板就会发生彭胀、离散致使爆炸，这对于能源电板的使用者来说是致命的。电板里面压强的变化主要来自热失控导致的电解液与正负极之间的领会反应所产生的巨额气体及烟雾，故通过检测电板里面压力的变化不错已矣对电板热失控的提前预警。Raghavan等[47]研发一种可镶嵌LIBs里面的布拉格光纤传感器以检测电板里面景色。当电板内压力或温度变化时，布拉格光纤折射率、折射光波长王人将随之变化，然后通过平直测量折射光的变化来检测电板里面温度及压力的变化。压力传感器因其反映速率、信号指征、居品纯属度等方面的上风成为现时热失控传感器的首选。但是，传统的压力传感器的制形资本相对较高，在实践应用中还需进一步计划开发，以进一步镌汰其价钱资本且提高灵巧度。

5.5 气体

LIBs从热失控早期阶段启动就会产生一定量的气体，跟着热失控的进行气体的身分会发生含量上变化，为热失控早期预警提供了可能性。Wang等[55]通过对LIBs热失控过程产不悦体进行采样分析，发现CO气体浓度在泄压阀爆开前后有最显着的变化，此时电板名义的温度未进步100 ℃，因此CO气体浓度和电板名义温度可共同看成电板热失控早期预警信号。同期，现阶段使用的CO气体探伤传感器比拟于气体可燃性气体传感用具有价钱便宜、耐用性强等上风。进一步计划，发现热失控过程中不同气体产生的阶段和浓度不同，其中H2、CO、CO2质料浓度变化最为灵巧可看成气体预警的一级预警，HCl、HF不错在一级预警无法准确预判时看成二级预警（图5D）。Fernandes等[56]以商用LEP电板为例探究了过充滥用时气体的来源及身分，并诓骗高折柳气体检测装配对气体身分进行识别和量化，冷落了基于此装配的新的热失控预警技能。

现在的早期预警系统主要检测温度、气体这两个特征参数，同期纠合电压[53]、内阻[54]、压力[47]等特征参数对热失控已矣早期预警，基于多个参数进行预警不错灵验的进步预警系统的准确性和灵巧度（图5E）。改日还需要进一步提高传感器的灵巧度同期镌汰制形资本，从而进一步灵验进步LIBs的安全性。

能源电板热顾问

能源电板热顾问系统主若是惩办电板在温渡过高或过低时热失控、无法深度放电、无法大电放逐电的问题，是保证能源电板祥瑞和高效使用的关键。

6.1 传统热顾问技能

6.1.1 高温散热技能

电板散热技能，即电板冷却技能，凭据冷却花式可分为被迫冷却和主动冷却。被迫冷却指将电板里面产生的热量平直排出，包括天然冷却、热管冷却和相变冷却；主动冷却是通过建造一个内轮回系统已矣电板里面温度的主动调养，包括空气冷、液体冷却和制冷剂冷却。现在，空气冷却、液体冷却、热管冷却和相变冷却等因概括性能优异被平庸计划。空气冷却是诓骗空气看成热量交换的引子来戒指能源电板系统里面的温度，具有体积小、结构通俗等优点[57, 58]。但是，该技能温度戒指效果差、导热通盘低，一致性差等颓势甩掉其使用范围。比拟而言，液冷顾问是电板顾问系统应用较为广博的花式，但是其面对最大的问题是复杂的装配结构和漏液风险[59, 60]。空气冷却和液体冷却的买卖化程度较高，但是由于其较差的温度戒指效果和较低的导热通盘，这两种冷却技能在高容量拓荒中应用受限。

热管冷却是基于固液相变已矣热传导的过程。凭据热管里面结构可分为重力热管、脉动热管、烧结热管等。影响热管散热效用的因素包括使命介质、热管的摆列、几何尺寸等[61]。与风冷和液冷花式比拟，热管冷却具有更高的热交换效用，况且还能称心低温工况的需求[62]。但是，热管冷却依旧面对着造价高，结构复杂、历久性差等曲折，故未能达到实践应用的要求。相变材料冷却是诓骗相变材料在物态变化过程中在保执温度不变的条款下摄取热量的性能。相变材料可分为无机相变材料、有机相变材料、复合相变材料，其中石墨和石蜡是LIBs相变材料冷却中最常见的[63-65]。但是现在的计划大多基于导热率低的有机相变材料，改日需要进一步开发其他具有高性能的相变材料。热管冷却和相变材料冷却技能王人处于计划阶段，受限于自身颓势，在大限度储能拓荒中的应用王人有较大的费事。

许多计划东谈主员遴荐将多种冷却花式复合，上风互补，最大限定阐明散热效果。现在，主要的复合花式是将主动冷却和被迫冷却相纠合。Yang等[66]冷落了将空气冷却和相变冷却的复合冷却系统，实验驱散阐明强制对流和相变冷却复合后的冷却系统不错将电板组的最高温差戒指到2 ℃内。热管冷却和液体冷却构成的复合冷却系统可将电板组在3C放电倍率下的最高温度戒指在50 ℃内[67]。复合冷却系统面对主要的问题是结构复杂、体积/质料偏大，何如优化体积质料还能保证冷却效用是计划的难点。

6.1.2 低温散热技能

LIBs在低温环境下容易触发锂枝晶和锂镀层诱发内短路形成容量的永远性镌汰，因此低温加热系统是慎重LIBs低温热失控的进军路过。凭据加热过程中热源不错将电板加热系统分为外部加热和里面加热两种。外部加热主要包括空气、液体、相变材料和热电效应等，里面加热主要包括电板内电阻生热和外部电流激励加热。

电板外部加热主要包括基于空气介质的加热、基于液体介质的加热、基于相变材料的加热和基于热电效应的加热，前三种加热技能的基本热传递时事与电板散热的过程一样。空气介质的加热技能天然方法工艺纯属，但是其使用过程能耗高。跟着对电板安全问题的和蔼度越来越高，在电板加热/散热一体化程度中占据上风的液体介质加热技能成为了计划者和蔼的要点。相变材料的加热系统具有结构通俗、能耗低等优点，但是现阶段该技能的工艺还处于实验阶段，需进一步优化以镌汰资本。基于热电效应加热电板的方法主要包括帕尔贴效应、电热效应和电阻温度效应，具有体积小、无杂音、无振动等诸多优点，但热电效应的加热花式会影响电板的散热性能。外部加热技能面对能耗较高、加热效用低等颓势，因此在原有技能的基础上开发新的电板加热花式是稠密计划者的使命要点。

LIBs内加热系统中常用的加热技能包括恒定电阻加热、可变电阻加热和高压电加热。以电阻元件为加热源的加热技能在热搬动效用和资本方面均具有显着的上风，不外使用过程中会存在升温不均匀，体积占比过大的问题，高压电加热技能在结构瞎想和制形资本上更具上风。高压电加热技能凭据电流不同又不错分为交流电加热、直流电加热和脉冲电流加热，其中交流电加热被合计是电板低温加热最灵验的方法。Zhu等[68, 69]分析交流电频率和电流值对锂镀层的影响，发现低频和大电流加热会引起复杂的副反应出现锂镀层，交流电高的振幅会加重电板内热量的累积。Ruan等[70]冷落交流~直流共同加热策略来遏制锂枝晶的滋长；同期，他们诓骗多主义遗传算法对LIBs低温下的内加热策略进行优化。

6.2 新式热顾问技能

现时，新能源汽车界限正处于行业变革的关键阶段，关系界限内的技能正与多种新式技能互相鉴戒、会通，比如大数据技能、东谈主工智能技能及云计较技能等。在电板安全性方面，区别于传统技能需要倏地巨额服务和时期资本，基于东谈主工智能技能来提高电板安全性已被平庸计划。

数字孪生系统由多物理场、多方法和轻量化等模子构建而成，均具有极高的保真度模拟电板的特点。纠合现在高速发展的云计较和机器学习技能，数字孪生系统不错精确地预测电板里面景色及运业绩况[71]。因此，基于数字孪生的电板制造和顾问系统被平庸计划并取得了一定建树。通过复杂的LIBs三维产热模子来模拟、预测电板在热失控条款下的演化过程及里面变化。为了得到计较速即且精度高的电板模子，上海空间电源计划所修订了原有的计较模子，已矣了电化学模子的工程化应用，并配备了法式化的数据处理软件。在多方法智能系统工程界限，清华大学王笑楠锻真金不怕火冷落基于发展策略不错应用于电板顾问，通过巨额现存的实验数据进行深度的抽象建模，通过东谈主工智能去分析其间存在的共性法例并给出可能的惩办认识。

在数字孪生模子的基础上，电板内的传感器是数字孪生系统获取数据的前哨，起到为孪生模子提供感官的作用，通过在电板内镶嵌多维信息传感器，实时获取电源系统里面景色信息，极地面提高数字孪生模子的准确性，在获取的信息与孪生模子握住迭代优化的过程中贴近对空间电源的敷裕映射，从而对电源的表里过程进行精确解析和预测。近期，科研东谈主员计划出多种极具改换性的新式传感器技能：北京理工大学陈浩森锻真金不怕火团队[72]研发的多点式内埋温度传感器，已矣无线实时里面温度场系统监控，同期这种技能可平庸应用于不同类型传感器；清华大学张强锻真金不怕火团队[73]发明了可检测电板内动态电容/析锂的检测技能，可灵巧的预测电板热失控。此外，东谈主工智能技能在电板制备和顾问方面的应用是全方面的，从电板制造解析，智能电板安全系统构造，到基于复杂概率统计的电板健康景色预测，自我完善才调等。

论断与计算

频年来，天然能源电板的安全计划取得了很猛进展，但是电板热失控的高效戒指和预测计划还需进一步优化提高。对于LIBs的关键电板材料，遴荐合适的电极材料、粘结剂、电解质和电解液、或通过包覆、掺杂电极材料、向电极材料添加阻燃剂和过充保护剂等改性方法，均不错提高电板的热认知性。同期，电极制造、电板装配等工艺过程会影响电板的安全，优化正负极活性配比、浆料的均匀度和厚度、涂布加热温度剂粘结剂与导电剂的配比，能很大程度上改善电板的安全性。现在，对热顾问系统的计划主要针对汽车界限，跟着能源电板在海、陆、空等应用空间的扩展，在不同环境下的LIBs热顾问技能计划也成为改日趋势。因此，通过整合不同学科（材料学、电化学、热力学等）和新式技能（大数据技能、东谈主工智能技能及云计较技能等），建造精度高、适用范围广的电板热顾问系统，将在很大程度上镌汰电板自燃致使爆炸的概率，提高能源电板应用广度。

发布于：广东省