動(dòng)力電池?zé)崾Э貦C(jī)理及熱管理技術(shù)研究進(jìn)展

熱設(shè)計(jì)網(wǎng) 2024-12-21

摘要

鋰離子動(dòng)力電池作為新能源汽車(chē)的直接能量來(lái)源，對(duì)整車(chē)的安全性和耐用性起到?jīng)Q定性作用。隨著社會(huì)發(fā)展對(duì)動(dòng)力電池能量密度和使用環(huán)境要求的不斷提高，以熱失控為代表的動(dòng)力電池安全事故頻發(fā)，嚴(yán)重限制新能源汽車(chē)的大規(guī)模普及。因此，深入研究動(dòng)力電池?zé)崾Э貦C(jī)理并優(yōu)化相應(yīng)的熱管理技術(shù)成為亟待解決的問(wèn)題。本文從鋰離子動(dòng)力電池?zé)崾Э噩F(xiàn)象出發(fā)，系統(tǒng)總結(jié)熱失控的演化過(guò)程，闡明機(jī)械、熱、電及內(nèi)短路導(dǎo)致電池?zé)崾Э氐臋C(jī)制。基于此，本文全面總結(jié)目前對(duì)鋰離子動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)的研究思路，并對(duì)未來(lái)提高鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)安全性的策略進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：鋰離子動(dòng)力電池；熱失控；熱管理；內(nèi)短路

動(dòng)力電池?zé)崾Э匮芯恳饬x

《新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》指出：發(fā)展新能源汽車(chē)是我國(guó)從汽車(chē)大國(guó)邁向汽車(chē)強(qiáng)國(guó)的必由之路，是應(yīng)對(duì)氣候變化、推動(dòng)綠色發(fā)展的戰(zhàn)略舉措。中國(guó)作為目前全球新能源汽車(chē)最大的產(chǎn)銷量和保有量市場(chǎng)，2019年全國(guó)新能源汽車(chē)的銷售量達(dá)到130余萬(wàn)輛（占全球總量的60%），2021年銷售量增至300余萬(wàn)輛[1]。以鋰離子電池（Lithium Ion Batteries，LIBs）為代表的鋰離子動(dòng)力電池（以下簡(jiǎn)稱“動(dòng)力電池”）因能量密度高、工作溫度范圍廣、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用于電動(dòng)汽車(chē)。隨著社會(huì)的發(fā)展需求的提高，消費(fèi)者對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程、工作溫度范圍要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)LIBs不能滿足發(fā)展要求。LIBs體系從低能量密度的磷酸鐵鋰正極（~160 W·h/kg）轉(zhuǎn)向具有更高能量密度的三元正極（~220 W·h/kg），但研究人員發(fā)現(xiàn)三元正極釋放的熱量及發(fā)生熱失控的風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)高于其他體系電池。因此保障高能量密度的同時(shí)兼顧高安全性是電動(dòng)汽車(chē)穩(wěn)定發(fā)展的首要前提。

動(dòng)力電池?zé)崾Э厥侵鸽姵貑误w放熱連鎖反應(yīng)引起電池溫度不可控上升的現(xiàn)象，其通常由機(jī)械、電、熱等因素單獨(dú)或者共同耦合誘發(fā)。近年來(lái)，關(guān)于動(dòng)力電池的熱失控機(jī)理研究及優(yōu)化方案已經(jīng)成為動(dòng)力電池研究領(lǐng)域的重點(diǎn)方向。國(guó)內(nèi)外研究者基于大量的實(shí)驗(yàn)探究、機(jī)理分析及安全策略對(duì)動(dòng)力電池的熱失控現(xiàn)象進(jìn)行了大量的探究，并初步建立熱失控觸發(fā)機(jī)制、演化模型及安全預(yù)警機(jī)制，為電動(dòng)汽車(chē)的大規(guī)模發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。近兩年，在動(dòng)力電池的安全管理方面又涌現(xiàn)了眾多新技術(shù)和方法[2]。基于前期國(guó)內(nèi)外大量研究綜述及關(guān)于熱失控研究的最新成果，本文通過(guò)剖析動(dòng)力電池?zé)崾Э氐倪^(guò)程及機(jī)制，探討動(dòng)力電池安全管理的技術(shù)及策略。

動(dòng)力電池?zé)崾Э卣T因

根據(jù)事故車(chē)輛所處的狀態(tài)可將熱失控原因歸結(jié)為機(jī)械誘因、電誘因、熱誘因及內(nèi)短路，彼此間因果關(guān)系如圖1所示[3，4]。常見(jiàn)的動(dòng)力電池?zé)崾Э氐倪^(guò)程，首先是電池組內(nèi)某一單體電池因機(jī)械濫用、電濫用、熱濫用等因素導(dǎo)致其發(fā)生局部的劇烈升溫，積累大量熱量的單體電池造成的高溫及起火將會(huì)引發(fā)周?chē)鷨误w電池發(fā)生熱失控，從而導(dǎo)致熱失控現(xiàn)象在電池組內(nèi)部蔓延。

圖1 動(dòng)力電池?zé)崾Э氐氖鹿试蚣跋嚓P(guān)濫用誘因[3, 4]

2.1 機(jī)械誘因

熱失控的機(jī)械誘因主要分為擠壓、針刺、碰撞等[5, 6]。研究表明，在外力擠壓狀態(tài)下電池內(nèi)部的隔膜會(huì)出現(xiàn)斷裂，造成的正負(fù)極短路會(huì)引發(fā)劇烈的電化學(xué)反應(yīng)，外電路表現(xiàn)為電壓下降。在這一過(guò)程中，隨著持續(xù)擠壓，電池內(nèi)部材料會(huì)經(jīng)歷剛度增加至極限、電極材料出現(xiàn)裂紋、隔離斷裂、活性物質(zhì)剪切失效、活性材料從集流體上脫落，從而形成內(nèi)短路。有研究表明，單體電池中正極材料的剛度最大，在外力擠壓的狀態(tài)下最先出現(xiàn)結(jié)構(gòu)問(wèn)題。與擠壓載荷類似，針刺載荷導(dǎo)致的直接結(jié)果也是動(dòng)力電池的在針刺點(diǎn)短路，短路區(qū)產(chǎn)生的大量焦耳熱會(huì)在電池內(nèi)部形成局部高溫?zé)釁^(qū)。在針刺實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，針刺的位置、深度、尺寸及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)都會(huì)影響動(dòng)力電池內(nèi)短路形成的路徑。此外，碰撞引起電池組發(fā)生的殼體變形破損導(dǎo)致的電解液泄露問(wèn)題也會(huì)增加電池組外短路的風(fēng)險(xiǎn)，從而提高動(dòng)力電池失效的概率。

2.2 電誘因

電誘因?qū)е聞?dòng)力電池?zé)崾Э匕ㄍ舛搪穂7]、過(guò)充電[8]、過(guò)放電[9]，三者引發(fā)熱失控的過(guò)程及機(jī)理完全不同。外短路導(dǎo)致熱失控的主要原因是歐姆熱引發(fā)電池內(nèi)部溫度升高和外電路電流增加。Spotnitz等[10]總結(jié)了由外短路引起熱失控的機(jī)制，認(rèn)為熱失控發(fā)生的主要原因是歐姆熱引發(fā)電池內(nèi)部溫度升高和外電路電流增加。在車(chē)載動(dòng)力電池的使用過(guò)程中，外短路導(dǎo)致熱失控發(fā)生的情況比較常見(jiàn)，當(dāng)電池組內(nèi)混入導(dǎo)電介質(zhì)或因振動(dòng)導(dǎo)致電池組錯(cuò)位接觸到非絕緣組件時(shí)，均會(huì)引發(fā)外短路。

過(guò)充電是指充電過(guò)程中，電池組內(nèi)某一單體電池在超過(guò)截止電壓后仍繼續(xù)充電，造成電池電壓高于截止電壓。過(guò)充引發(fā)熱失控的原因分為兩個(gè)方面：一是產(chǎn)生大量的焦耳熱，另一個(gè)是副反應(yīng)產(chǎn)生的大量反應(yīng)熱。焦耳熱主要來(lái)自過(guò)充電導(dǎo)致的電池內(nèi)阻急速增加，Saito等[11]觀察到大倍率充電過(guò)程中發(fā)熱量更為嚴(yán)重。此外，Lin等[12]揭示了過(guò)充電引起副反應(yīng)的機(jī)制，即過(guò)充電會(huì)導(dǎo)致過(guò)量的鋰移動(dòng)到負(fù)極誘導(dǎo)鋰枝晶生長(zhǎng)，正極則因鋰離子重度脫出而引發(fā)晶格塌陷并釋放大量O2，O2在較高溫度下更容易與電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)進(jìn)而釋放出更多氣體，并伴隨產(chǎn)生反應(yīng)熱。Zeng等[8]以LixCoO2為例，研究發(fā)現(xiàn)x=0.16是正極材料晶格坍塌的臨界點(diǎn)，還發(fā)現(xiàn)電池內(nèi)部電解質(zhì)的量與熱失控發(fā)生時(shí)熱量和氣體產(chǎn)生量正相關(guān)。Xu等[13]以LiFePO4為例做過(guò)充電測(cè)試，以10％過(guò)充電容量循環(huán)，10次循環(huán)后容量跌為0；在循環(huán)后的正極材料表面觀察到鐵金屬顆粒。當(dāng)前研究對(duì)過(guò)充電引起容量下降的機(jī)理仍處于研究初期，相關(guān)工作仍需進(jìn)一步推進(jìn)。

過(guò)放電引發(fā)熱失控的機(jī)理是電池發(fā)生內(nèi)短路。因?yàn)橹圃旎蚴褂貌划?dāng)會(huì)導(dǎo)致電池間的不一致性，在串聯(lián)電池組內(nèi)，電壓最低的單體電池會(huì)被其他串聯(lián)的單體電池強(qiáng)行放電，導(dǎo)致其電壓變成負(fù)值。在單體電池內(nèi)部，過(guò)放會(huì)導(dǎo)致大量鋰離子從負(fù)極脫出嵌入正極，固體電解質(zhì)界面膜（Solid Electrolyte Interphase, SEI）發(fā)生分解[9]；與此同時(shí)，過(guò)放導(dǎo)致正極電位不斷降低而負(fù)極電位不斷升高，當(dāng)負(fù)極電位約為3.4 V時(shí)，負(fù)極銅集流體開(kāi)始發(fā)生溶解；溶解的銅離子通過(guò)隔膜移動(dòng)到正極并沉積形成銅枝晶，造成電池內(nèi)短路的發(fā)生。Guo等[14]研究發(fā)現(xiàn)溶解的銅離子會(huì)在正極側(cè)形成具有低電位的銅枝晶，不斷生長(zhǎng)的銅枝晶極易刺穿隔膜導(dǎo)致嚴(yán)重的內(nèi)短路。故障電池組再次充電時(shí)，鋰離子從正極的脫出阻力變大造成內(nèi)阻的急劇增加，同時(shí)會(huì)消耗大量的鋰離子形成新的SEI，導(dǎo)致容量快速衰減。

2.3 熱誘因

熱誘因?qū)е碌臒崾Э匾话闶怯蓹C(jī)械誘因和電誘因發(fā)展而來(lái)的，電池組內(nèi)元件之間的接觸問(wèn)題也是熱誘因發(fā)生的原因[15]。例如，電誘因中電池組的過(guò)充和過(guò)放均會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)熱不一致，使電池組出現(xiàn)溫度不均勻的情況。電池組內(nèi)單體電池之間的接觸、電池組之間連接元件的接觸均存在接觸電阻，當(dāng)某個(gè)接觸點(diǎn)出現(xiàn)問(wèn)題很有可能導(dǎo)致電池組內(nèi)阻增加，從而出現(xiàn)局部過(guò)熱的危險(xiǎn)情況。Zheng等[16]和Taheri等[17]研究發(fā)現(xiàn)連接器接觸松動(dòng)和電極—集電極接觸不良均會(huì)增加熱失控發(fā)生的可能性。此外，研究者發(fā)現(xiàn)電池內(nèi)過(guò)熱導(dǎo)致正極材料釋放的氧氣能與還原性的LiCx發(fā)生反應(yīng)并伴隨較高的熱量產(chǎn)生，證明了在未發(fā)生嚴(yán)重內(nèi)短路的情況下，電池內(nèi)副反應(yīng)的發(fā)生也是熱失控的潛在危險(xiǎn)[18]。

2.4 內(nèi)短路

內(nèi)短路是指單體電池內(nèi)因隔膜失效導(dǎo)致的正負(fù)極直接接觸，在電勢(shì)差及溫度影響下引發(fā)劇烈的電化學(xué)反應(yīng)并伴隨大量熱的產(chǎn)生。內(nèi)短路是熱失控誘因中的一個(gè)共性因素，前面提到的機(jī)械、電、熱等誘因?qū)е聼崾Э氐倪^(guò)程中均會(huì)經(jīng)歷內(nèi)短路[19, 20]。因此，電池內(nèi)短路發(fā)生的原因可分為三種：（1）電池外部誘因?qū)е聝?nèi)短路，例如擠壓等機(jī)械原因造成的隔膜形變和撕裂，過(guò)充/放等電濫用形成的枝晶刺穿隔膜，和熱濫用導(dǎo)致高溫引發(fā)的隔膜收縮和形變。（2）電池內(nèi)雜質(zhì)缺陷導(dǎo)致內(nèi)短路，例如電極材料中的金屬雜質(zhì)、組裝環(huán)境中的粉塵、模切時(shí)未及時(shí)消除的毛刺等問(wèn)題。（3）非常規(guī)使用導(dǎo)致內(nèi)短路，例如電池組頻繁的在過(guò)高/低的溫度或者快充條件下使用，會(huì)導(dǎo)致負(fù)極材料出現(xiàn)鋰枝晶刺穿隔膜從而造成電池的內(nèi)短路。除了前文提到的機(jī)械誘因、電誘因、熱誘因等外部誘因通過(guò)引發(fā)內(nèi)短路進(jìn)而導(dǎo)致熱失控外，電池老化也會(huì)對(duì)安全性存在威脅。電池的老化分為循環(huán)老化和儲(chǔ)存老化，電池循環(huán)老化總是伴隨正極材料結(jié)構(gòu)損壞、電極材料不可逆相變、活性材料與電解質(zhì)發(fā)生分解等[21-23]，導(dǎo)致電池容量衰減和內(nèi)阻增加，使電池系統(tǒng)安全性能衰退；存儲(chǔ)環(huán)境會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)阻增加發(fā)生老化。Liu等[22]系統(tǒng)地研究了LIBs的老化機(jī)制及診斷，并論述了其老化機(jī)理以及退役LIBs重新利用（鋰離子電池老化機(jī)理及綜合利用）。此外，電池制備過(guò)程中工藝及成分上造成的電池缺陷也會(huì)導(dǎo)致電池短路、容量衰減。

動(dòng)力電池?zé)崾Э厥且环N由電池內(nèi)部溫度急劇上升而導(dǎo)致的電池本身出現(xiàn)一系列不可逆的失效現(xiàn)象（如容量衰減、電池變形/破裂、電池?zé)崾Э仄鸹鸬龋D2為電池內(nèi)部機(jī)理失效圖[24]，分析發(fā)現(xiàn)電池發(fā)生容量衰退、內(nèi)阻增大等現(xiàn)象的本質(zhì)原因是內(nèi)部各組分之間復(fù)雜的電化學(xué)副反應(yīng)。以石墨為例，LIBs負(fù)極材料失效機(jī)理可以分為SEI膜生長(zhǎng)、鋰沉積和活性物質(zhì)不可逆脫落。SEI膜形成于電池前幾次充電中，用于傳輸鋰離子并抑制電解液的進(jìn)一步分解。電池循環(huán)中鋰離子多次在石墨材料中的脫嵌會(huì)導(dǎo)致石墨層被剝離，導(dǎo)致SEI膜持續(xù)增長(zhǎng)、電池內(nèi)阻增加及容量減小[25]；而石墨層的過(guò)度剝離會(huì)導(dǎo)致石墨材料顆粒破碎、脫落從而損失容量。鋰沉積是指充放電過(guò)程中，鋰金屬沉積在負(fù)極表面，產(chǎn)生死鋰、不可逆鋰等造成容量損失，也可能形成鋰枝晶，嚴(yán)重時(shí)刺穿隔膜引起電池內(nèi)短路。常用的LIBs正極材料主要可以分為錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元材料等，其退化機(jī)理各有不同[7]。總的來(lái)說(shuō)，可以總結(jié)為正極材料顆粒在循環(huán)過(guò)程中引體積變化催生的微裂紋導(dǎo)致阻抗增加，同時(shí)電解液的滲入及進(jìn)一步反應(yīng)導(dǎo)致正極與電解液之間的分解反應(yīng)及過(guò)渡金屬離子溶出，導(dǎo)致電池性能下降及產(chǎn)熱問(wèn)題。

圖2 鋰離子電池失效機(jī)理示意圖[24]

動(dòng)力電池?zé)崾Э貦C(jī)理

隨著熱失控的逐步發(fā)展，電池內(nèi)將經(jīng)歷如下過(guò)程[18, 26]（圖3）：SEI膜的分解、電解液與負(fù)極的反應(yīng)、隔膜熔化、正極分解、電解質(zhì)分解、粘結(jié)劑分解及電解質(zhì)的燃燒等，熱量主要來(lái)自復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)（~98%）。分析研究大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果后，研究人員總結(jié)出四個(gè)電池?zé)崾Э氐墓餐瑴囟忍卣鱽?lái)量化熱失控過(guò)程，{T1，T2，T3}和max{dT·dt-1}。異常發(fā)熱起始溫度T1反應(yīng)動(dòng)力電池整體熱穩(wěn)定性，熱失控觸發(fā)溫度T2取值于升溫速率突變轉(zhuǎn)折點(diǎn)，熱失控中最高溫度T3表示熱失控已經(jīng)達(dá)到最后階段，最高升溫速率max{dT·dt-1}與電池樣品的能量密度正相關(guān)。基于這四個(gè)溫度特征值及動(dòng)力電池實(shí)際工作環(huán)境，熱失控過(guò)程可以分為四個(gè)階段。

圖3 動(dòng)力電池?zé)崾Э貦C(jī)理及流程[18, 26]

第一階段（T<0 ℃），此階段的潛在誘因?yàn)榈蜏爻潆娺^(guò)程中負(fù)極鍍鋰和鋰枝晶的產(chǎn)生。低溫環(huán)境會(huì)降低電解液的電導(dǎo)率、增加電極膜阻抗，影響電池內(nèi)離子的遷移速率進(jìn)而導(dǎo)致鋰枝晶的產(chǎn)生，鋰枝晶會(huì)加速副反應(yīng)（Li/有機(jī)溶劑反應(yīng)）的發(fā)生。因此，“電池加熱”技術(shù)在電池管理系統(tǒng)中成為了研究的重點(diǎn)。第二階段（0 ℃~90 ℃）是動(dòng)力電池的正常工作溫度區(qū)間，電池內(nèi)的電化學(xué)反應(yīng)等均處于正常狀態(tài)。此階段內(nèi)電池內(nèi)部的發(fā)熱量很小（升溫速率低于1 ℃/min），總熱量產(chǎn)生是可逆熱（電化學(xué)反應(yīng)放熱）、不可逆熱（歐姆熱和極化熱）以及混合熱（副反應(yīng)熱）的總和。若電池組的工作環(huán)境散熱性能差或使用不規(guī)范（快充、大功率放電等）會(huì)引發(fā)電誘因造成電池內(nèi)短路，積累更多的熱量。隨之進(jìn)入熱積累階段，又叫自生熱階段（90 ℃~220 ℃）。當(dāng)溫度高于異常發(fā)熱起始溫度T1時(shí)，動(dòng)力電池內(nèi)副反應(yīng)會(huì)持續(xù)發(fā)生并釋放大量熱。此階段的熱失控發(fā)展過(guò)程可以大致歸納為SEI膜分解、隔膜熔化、Li/LixC6與電解液反應(yīng)等，其中隔膜熔化被認(rèn)為是熱失控的開(kāi)始。進(jìn)入熱失控階段后（220 ℃<t<850℃），隔膜熔化會(huì)導(dǎo)致非常嚴(yán)重的內(nèi)短路，升溫速率迅速升高（>10 ℃/min，熱失控觸發(fā)溫度T2），過(guò)多的熱量積累進(jìn)一步導(dǎo)致電解液的燃燒，電極之間的化學(xué)串?dāng)_等放熱反應(yīng)。至此進(jìn)入熱失控的終止階段，劇烈的反應(yīng)生成大量氣體同時(shí)釋放大量的熱，加熱后迅速膨脹的氣體沖破電池芯殼體，發(fā)生物質(zhì)噴射甚至燃燒，這一列連鎖反應(yīng)都是在一瞬間完成的。

動(dòng)力電池?zé)岚踩蕴嵘?/h2>
4.1 電池關(guān)鍵材料優(yōu)化
4.1.1 正極材料
正極材料在熱失控中主要的參與的放熱反應(yīng)包括：正極材料的分解及O2的釋放，這些是造成動(dòng)力電池起火爆炸的主要原因。Jung等通過(guò)一系列研究證明了三元正極材料（LiNixMnyCozO2，NCM）中O2的釋放對(duì)于電池?zé)岚踩把h(huán)穩(wěn)定性的影響。研究發(fā)現(xiàn)正極材料中O2的釋放是H2-H3相變引起的，析出的晶格氧會(huì)與電解質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成CO2和CO等氣體；荷電狀態(tài)達(dá)到81%時(shí)正極材料中O2開(kāi)始析出，析出量隨著溫度的增加逐漸升高[26, 27]。增強(qiáng)正極材料熱穩(wěn)定性的策略主要包括：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、表面摻雜包覆等。本課題組在提高正極材料熱穩(wěn)定性方面做了大量工作。摻雜方面，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單的原位修飾策略，成功的將與晶格氧有高結(jié)合能的硼原子引入NCM811一次顆粒的近表面（圖4C）。摻雜后形成的B-O鍵有效降低了氧的電負(fù)性，抑制了O2析出，熱穩(wěn)定性也有了明顯的提升[28]；包覆方面，在NCM正極表面構(gòu)筑壓電包覆層，實(shí)時(shí)將循環(huán)中NCM二次顆粒內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變轉(zhuǎn)化為周期性變化的界面局域電場(chǎng)，有效提升了相變可逆性（圖4B）[29]。同時(shí)，壓電包覆層可緩解NCM晶格變化，穩(wěn)定其力學(xué)性能，抑制粒內(nèi)/粒間裂紋及氧析出，減少電極—電解質(zhì)界面副反應(yīng)發(fā)生，從而提高了電池安全性[30, 31]。
圖4 關(guān)鍵材料改性研究[28, 29, 32, 34, 35, 40, 42]
4.1.2 負(fù)極材料
熱失控過(guò)程中，負(fù)極材料主要參與的放熱反應(yīng)包括：SEI分解、嵌入負(fù)極的鋰與電解液和粘結(jié)劑的放熱反應(yīng)，其中SEI分解對(duì)應(yīng)的溫度被認(rèn)為是熱失控的開(kāi)始的特征溫度。大量研究證明，為了提高負(fù)極材料的熱穩(wěn)定性，表面涂敷、結(jié)構(gòu)優(yōu)化是最常見(jiàn)的方法。Luo及其合作者[32]在傳統(tǒng)石墨碳負(fù)極表面引入高極性β相聚偏二氟乙烯（Poly(Vinylidene Fluoride)，PVDF）作為涂層材料來(lái)減緩鋰枝晶的形成，PVDF涂層形成的光滑的界面有效降低了負(fù)極材料的表面轉(zhuǎn)移阻抗，進(jìn)一步提高電池的熱安全性和電池性能（圖4A）。除了聚合物材料，金屬、金屬聚合物、新型碳材料等材料的包覆和摻雜，也是提高負(fù)極材料的熱穩(wěn)定性常見(jiàn)的方法。開(kāi)發(fā)新型具有高熱穩(wěn)定的負(fù)極材料也是研究的重要方向，碳化硅陶瓷、Li4Ti5O12等新型電極材料的探究為電池的安全性提供了新的研究方向[30, 33]。此外，降低負(fù)極的嵌鋰量也可以相應(yīng)的降低嵌入負(fù)極的鋰與電解液的反應(yīng)，還可以選擇合適粘結(jié)劑來(lái)避免嵌入負(fù)極的鋰與粘結(jié)劑的放熱反應(yīng)。
4.1.3 電解液
可加入功能性添加劑或研發(fā)新型電解質(zhì)鹽來(lái)抑制電解液的分解和燃燒。電解質(zhì)的功能性添加劑可以分為阻燃添加劑和過(guò)充保護(hù)添加劑：阻燃添加劑從成分上可以分為有機(jī)磷化合物、含氮化合物、碳酸酯類、硅烷等，通過(guò)抑制溫度提高其熱穩(wěn)定性；過(guò)充添加劑從作用機(jī)理上可分為氧化還原對(duì)型和電聚合性，通過(guò)將電池電壓限制在一個(gè)可控范圍內(nèi)而實(shí)現(xiàn)高熱安全性。Xu等通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明在1.0 M LiPF6 EC/DMC/DEC (1/1/1，weight ratio)中加入1% DMAc可以有效增加電解質(zhì)和SEI層在85 ℃的熱穩(wěn)定性和耐久性（圖4D）[34]。開(kāi)發(fā)具有高的熱學(xué)、化學(xué)穩(wěn)定性的鋰鹽和溶劑是提高動(dòng)力電池?zé)岱€(wěn)定性另一有效方法。Zhang等[35]開(kāi)發(fā)了一種新型的聚離子液體作為溶劑，它的熱分解溫度在202.7 ℃，很大程度上提高了電解液的分解溫度（圖4E）。此外，新型電解液如離子液體、聚合物電解液等是提高LIBs熱安全性的另一類有效策略。
固態(tài)電解質(zhì)具有高的熱穩(wěn)定性和不可燃性，因此用它取代傳統(tǒng)的液態(tài)有機(jī)電解質(zhì)有望從根本上解決LIBs的安全問(wèn)題。目前固態(tài)電解質(zhì)基本上可以分為三大類：聚合物、氧化物和硫化物。其中，以聚氧化乙烯（Polyethylene oxide，PEO）為代表的聚合物電解質(zhì)優(yōu)勢(shì)在于優(yōu)異的界面相容性及機(jī)械加工性；而應(yīng)用中面臨最大的問(wèn)題在于本身常溫電導(dǎo)率較低導(dǎo)致其工作環(huán)境需要保持在60 ℃以上。氧化物和硫化物統(tǒng)稱為無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)，它們具有機(jī)械強(qiáng)度高、阻燃性強(qiáng)、工作溫度范圍廣等優(yōu)點(diǎn)；但是固態(tài)電解質(zhì)面臨最大的問(wèn)題就是電解質(zhì)/電極界面接觸較差。然而，固態(tài)電解質(zhì)商業(yè)化道路上最大的阻礙是較差的離子電導(dǎo)率無(wú)法達(dá)到商業(yè)要求，相較有機(jī)液態(tài)電解質(zhì)仍有較大差距。更多研究表明，將固態(tài)電解質(zhì)與少量液體電解質(zhì)結(jié)合形成準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)可能是同時(shí)提高安全性和電化學(xué)性能的有效策略[36]。此外，燕山大學(xué)黃建宇教授[2]、清華大學(xué)何向明教授[37]、中國(guó)科學(xué)院李泓研究員[38]等在固態(tài)電解質(zhì)的研究方面均獲得了較大的進(jìn)展。
4.1.4 隔膜
隔膜最主要的作用是避免電池正負(fù)電極之間的直接接觸并提供適合的離子傳輸通道，然而，目前使用最為廣泛的隔膜（聚烯烴材料）面臨最大的問(wèn)題是高溫下的收縮、熔化，導(dǎo)致電池內(nèi)短路并引發(fā)嚴(yán)重的熱失控。針對(duì)以上問(wèn)題，研究人員嘗試了多種方法來(lái)提高隔膜的熱穩(wěn)定性，包括對(duì)傳統(tǒng)隔膜改性和開(kāi)發(fā)新型熱穩(wěn)定性材料。Sun等[39]選用熱安全的聚對(duì)苯二甲胺納米纖維包覆在傳統(tǒng)聚丙烯隔膜的表面構(gòu)建了一種熱穩(wěn)定且抗枝晶的隔膜。Song等人[40]定向開(kāi)發(fā)了一種納米孔不收縮聚酰亞胺隔膜，可以同時(shí)抑制電池濫用情況下內(nèi)短路和化學(xué)串?dāng)_（圖4G）。此外，研究人員在新型隔膜的開(kāi)發(fā)中也取得了較大進(jìn)展。Liu等人[41]首次提出將具有吸熱作用的相變材料分裝進(jìn)具有良好電解液浸潤(rùn)性的中空納米纖維制備具有熱調(diào)節(jié)功能的隔膜，不但能抑制電池內(nèi)部溫度的急劇上升，還可避免電化學(xué)性能的損失。Deng等[42]通過(guò)超臨界干燥技術(shù)制備了具有優(yōu)異性能的新型聚酰亞胺氣凝膠隔膜，對(duì)比發(fā)現(xiàn)基于新型隔膜的電池失控溫度可提升30%以上，極大地提高了電池?zé)岚踩裕▓D4F）。
4.2 電池單體制造工藝優(yōu)化
動(dòng)力電池單體的制造工藝對(duì)于電池的電性能和熱性能有很大的影響，從電極材料的混料、涂布、輥壓和裁片，到組裝、注液、封口和化成，每一步都有優(yōu)化的空間。極片烘干時(shí)的溫度和時(shí)間都需嚴(yán)格控制，烘干時(shí)溫度或者時(shí)間不足會(huì)導(dǎo)致部分溶劑殘留和粘結(jié)劑溶解，溫度過(guò)高容易造成粘結(jié)劑碳化，這兩種情況均會(huì)導(dǎo)致活性物質(zhì)的脫離形成內(nèi)短路。組裝全電池時(shí)，正極容量過(guò)量會(huì)導(dǎo)致金屬鋰在負(fù)極表面的沉積，負(fù)極容量過(guò)量則會(huì)降低電池的能力密度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明正負(fù)極容量比保持在1.1∶1左右，電池的性能會(huì)達(dá)到最優(yōu)。Mei等[43, 44]考慮了tab尺寸的優(yōu)化，以降低產(chǎn)熱和溫度，保持LIBs的熱安全性。此外，研究人員還從電極微觀結(jié)構(gòu)、電池外觀形狀來(lái)進(jìn)一步設(shè)計(jì)以提升電池的熱安全性[45]。

動(dòng)力電池?zé)崾Э卦缙陬A(yù)警

動(dòng)力電池預(yù)警機(jī)制建立在熱失控過(guò)程中特征參數(shù)的變化，對(duì)于提升動(dòng)力電池使用安全具有重要的意義。通過(guò)總結(jié)大量測(cè)試結(jié)果，研究人員發(fā)現(xiàn)溫度、內(nèi)阻、內(nèi)部壓力、氣體產(chǎn)生、電壓、電流等均與熱失控演化過(guò)程有關(guān)。

5.1 溫度

熱失控就是指動(dòng)力電池內(nèi)局部溫度過(guò)高且無(wú)法及時(shí)擴(kuò)散所導(dǎo)致的一系列副反應(yīng)，因此溫度可作為判斷熱失控過(guò)程最基本的特征參數(shù)之一（圖5A）。當(dāng)前電池組的預(yù)警系統(tǒng)很多都是采用溫度傳感器，根據(jù)熱失控機(jī)制設(shè)定多級(jí)臨界溫度從而對(duì)潛在危險(xiǎn)提前預(yù)警，最大限度降低熱失控帶來(lái)的危害。Yang等[46]通過(guò)熱電偶對(duì)電池表面的溫度變化進(jìn)行檢測(cè)分析，建立了以溫度變化為基礎(chǔ)的三級(jí)預(yù)警傳感器，該預(yù)警裝置具有高效、便捷、響應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)。但是，在熱失控發(fā)生過(guò)程中電池內(nèi)外溫差總會(huì)造成熱電偶等溫度傳感器不能及時(shí)響應(yīng)，導(dǎo)致預(yù)警準(zhǔn)確度低。Parhizi等[47]建立了基于熱傳導(dǎo)分析的電池內(nèi)部溫度追蹤模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和仿真發(fā)現(xiàn)熱失控期間電池內(nèi)外溫差最高可達(dá)500 ℃。因而，研究人員將目光轉(zhuǎn)向紅外成像技術(shù)、電阻溫度檢測(cè)器技術(shù)等在測(cè)試精度和檢測(cè)速度更具前景的技術(shù)（圖5B）[48]。

圖5 熱失控過(guò)程中不同特征參數(shù)變化趨勢(shì)[49, 53, 54]

5.2 內(nèi)阻

超出正常工作溫度區(qū)間后，溫度持續(xù)增加會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)阻明顯提升，發(fā)生熱失控時(shí)內(nèi)阻則會(huì)出現(xiàn)突變，因此內(nèi)阻也常用做電池性能檢測(cè)、健康狀態(tài)評(píng)估。Srinivasan等[49]設(shè)計(jì)了一種基于抗相移快速監(jiān)測(cè)法的LIBs熱失控預(yù)警方法，通過(guò)高分辨率的電化學(xué)阻抗儀和頻率響應(yīng)分析儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池內(nèi)阻（圖5C）。通過(guò)測(cè)試結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，基于內(nèi)阻中相移φ部分與電池內(nèi)部溫度相關(guān)規(guī)律可以實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)部溫度的在線檢測(cè)從而預(yù)警熱失控的發(fā)生。根據(jù)熱失控演化過(guò)程中內(nèi)阻的相移和溫度的變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)熱失控早期內(nèi)部阻抗相移對(duì)于電池內(nèi)部的故障相比于電池溫度更加敏感，進(jìn)一步證明了內(nèi)部阻抗的實(shí)時(shí)監(jiān)控可以有效地實(shí)現(xiàn)熱失控預(yù)警。但是，除了熱失控會(huì)造成電池內(nèi)阻突變，動(dòng)力電池的日常使用中機(jī)械誘因所引發(fā)的接觸不良也會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)阻突變，故僅基于電池內(nèi)阻來(lái)預(yù)警電池?zé)崾Э夭粔驀?yán)謹(jǐn)。

5.3 電壓

與內(nèi)阻相同，發(fā)生熱失控時(shí)電池電壓會(huì)發(fā)生異常變化，不同誘因?qū)е码妷航档穆窂讲煌亲罱K電壓均將至0 V電池失效。Jiang等[50]研究者以高功率NCM(523)/C過(guò)充行為為例，證明了電壓平臺(tái)持續(xù)時(shí)間與過(guò)充率之間的相關(guān)性，基于此可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)熱失控時(shí)間。進(jìn)一步分析熱失控前的時(shí)間、溫度、電壓、內(nèi)阻等臨界值，可確定熱失控危險(xiǎn)等級(jí)，這為應(yīng)急預(yù)警和大功率電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。Wu等人[51]設(shè)計(jì)了一種雙功能分離器，通過(guò)監(jiān)測(cè)電壓變化來(lái)預(yù)測(cè)電池內(nèi)部的鋰枝晶，分離器由三層組成，包括兩個(gè)常規(guī)分離器之間的導(dǎo)電層。鋰枝晶的生長(zhǎng)會(huì)穿透?jìng)?cè)面常規(guī)隔板與測(cè)試層接觸，發(fā)出明顯的信號(hào)，警示內(nèi)短路引起的潛在熱失控風(fēng)險(xiǎn)。研究者采用長(zhǎng)短時(shí)記憶遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，研究了一種基于深度學(xué)習(xí)的電池系統(tǒng)多正向步進(jìn)電壓精確預(yù)測(cè)方法。結(jié)果表明，該方法具有較強(qiáng)的電池電壓預(yù)測(cè)能力，通過(guò)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證所提模型對(duì)各種電壓異常預(yù)測(cè)的可行性、穩(wěn)定性和可靠性，從而通過(guò)預(yù)測(cè)電壓來(lái)評(píng)估電池安全性，降低電池失控風(fēng)險(xiǎn)[52]。但是，動(dòng)力電池內(nèi)導(dǎo)致電壓驟降的原因不只包括熱失控，內(nèi)部連接處的接觸不良也會(huì)引發(fā)這種現(xiàn)象，以18 650圓柱形電池包為研究對(duì)象進(jìn)一步證明了電池內(nèi)電壓的變化非常復(fù)雜，因此單一的以電壓變化為預(yù)警基本參數(shù)將降低預(yù)警的準(zhǔn)確性。

5.4 內(nèi)部壓力

當(dāng)動(dòng)力電池內(nèi)部壓力超過(guò)排氣閥耐受的最大壓力時(shí)，電池就會(huì)發(fā)生膨脹、破裂甚至爆炸，這對(duì)于動(dòng)力電池的使用者來(lái)說(shuō)是致命的。電池內(nèi)部壓強(qiáng)的變化主要來(lái)自熱失控導(dǎo)致的電解液與正負(fù)極之間的分解反應(yīng)所產(chǎn)生的大量氣體及煙霧，故通過(guò)檢測(cè)電池內(nèi)部壓力的變化可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電池?zé)崾Э氐奶崆邦A(yù)警。Raghavan等[47]研發(fā)一種可嵌入LIBs內(nèi)部的布拉格光纖傳感器以檢測(cè)電池內(nèi)部狀態(tài)。當(dāng)電池內(nèi)壓力或溫度變化時(shí)，布拉格光纖折射率、折射光波長(zhǎng)都將隨之變化，然后通過(guò)直接測(cè)量折射光的變化來(lái)檢測(cè)電池內(nèi)部溫度及壓力的變化。壓力傳感器因其響應(yīng)速度、信號(hào)指征、產(chǎn)品成熟度等方面的優(yōu)勢(shì)成為當(dāng)前熱失控傳感器的首選。但是，傳統(tǒng)的壓力傳感器的制造成本相對(duì)較高，在實(shí)際應(yīng)用中還需進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)，以進(jìn)一步降低其價(jià)格成本且提高靈敏度。

5.5 氣體

LIBs從熱失控早期階段開(kāi)始就會(huì)產(chǎn)生一定量的氣體，隨著熱失控的進(jìn)行氣體的成分會(huì)發(fā)生含量上變化，為熱失控早期預(yù)警提供了可能性。Wang等[55]通過(guò)對(duì)LIBs熱失控過(guò)程產(chǎn)生氣體進(jìn)行采樣分析，發(fā)現(xiàn)CO氣體濃度在泄壓閥爆開(kāi)前后有最明顯的變化，此時(shí)電池表面的溫度未超過(guò)100 ℃，因此CO氣體濃度和電池表面溫度可共同作為電池?zé)崾Э卦缙陬A(yù)警信號(hào)。同時(shí)，現(xiàn)階段使用的CO氣體探測(cè)傳感器相比于氣體可燃性氣體傳感器具有價(jià)格低廉、耐用性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)熱失控過(guò)程中不同氣體產(chǎn)生的階段和濃度不同，其中H2、CO、CO2質(zhì)量濃度變化最為靈敏可作為氣體預(yù)警的一級(jí)預(yù)警，HCl、HF可以在一級(jí)預(yù)警無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)判時(shí)作為二級(jí)預(yù)警（圖5D）。Fernandes等[56]以商用LEP電池為例探究了過(guò)充濫用時(shí)氣體的來(lái)源及成分，并利用高分辨氣體檢測(cè)裝置對(duì)氣體成分進(jìn)行識(shí)別和量化，提出了基于此裝置的新的熱失控預(yù)警技術(shù)。

目前的早期預(yù)警系統(tǒng)主要檢測(cè)溫度、氣體這兩個(gè)特征參數(shù)，同時(shí)結(jié)合電壓[53]、內(nèi)阻[54]、壓力[47]等特征參數(shù)對(duì)熱失控實(shí)現(xiàn)早期預(yù)警，基于多個(gè)參數(shù)進(jìn)行預(yù)警可以有效的提升預(yù)警系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和靈敏度（圖5E）。未來(lái)還需要進(jìn)一步提高傳感器的靈敏度同時(shí)降低制造成本，從而進(jìn)一步有效提升LIBs的安全性。

動(dòng)力電池?zé)峁芾?/h2>
動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)主要是解決電池在溫度過(guò)高或過(guò)低時(shí)熱失控、無(wú)法深度放電、無(wú)法大電流放電的問(wèn)題，是保證動(dòng)力電池平安和高效使用的關(guān)鍵。
6.1 傳統(tǒng)熱管理技術(shù)
6.1.1 高溫散熱技術(shù)
電池散熱技術(shù)，即電池冷卻技術(shù)，根據(jù)冷卻方式可分為被動(dòng)冷卻和主動(dòng)冷卻。被動(dòng)冷卻指將電池內(nèi)部產(chǎn)生的熱量直接排出，包括自然冷卻、熱管冷卻和相變冷卻；主動(dòng)冷卻是通過(guò)建立一個(gè)內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電池內(nèi)部溫度的主動(dòng)調(diào)節(jié)，包括空氣冷、液體冷卻和制冷劑冷卻。目前，空氣冷卻、液體冷卻、熱管冷卻和相變冷卻等因綜合性能優(yōu)異被廣泛研究。空氣冷卻是利用空氣作為熱量交換的媒介來(lái)控制動(dòng)力電池系統(tǒng)內(nèi)部的溫度，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[57, 58]。但是，該技術(shù)溫度控制效果差、導(dǎo)熱系數(shù)低，一致性差等缺陷限制其使用范圍。相比而言，液冷管理是電池管理系統(tǒng)應(yīng)用較為普遍的方式，但是其面臨最大的問(wèn)題是復(fù)雜的裝置結(jié)構(gòu)和漏液風(fēng)險(xiǎn)[59, 60]。空氣冷卻和液體冷卻的商業(yè)化程度較高，但是由于其較差的溫度控制效果和較低的導(dǎo)熱系數(shù)，這兩種冷卻技術(shù)在高容量設(shè)備中應(yīng)用受限。
熱管冷卻是基于固液相變實(shí)現(xiàn)熱傳導(dǎo)的過(guò)程。根據(jù)熱管內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為重力熱管、脈動(dòng)熱管、燒結(jié)熱管等。影響熱管散熱效率的因素包括工作介質(zhì)、熱管的排列、幾何尺寸等[61]。與風(fēng)冷和液冷方式相比，熱管冷卻具有更高的熱交換效率，而且還能滿足低溫工況的需求[62]。但是，熱管冷卻依舊面臨著造價(jià)高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、耐久性差等缺點(diǎn)，故未能達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求。相變材料冷卻是利用相變材料在物態(tài)變化過(guò)程中在保持溫度不變的條件下吸收熱量的性能。相變材料可分為無(wú)機(jī)相變材料、有機(jī)相變材料、復(fù)合相變材料，其中石墨和石蠟是LIBs相變材料冷卻中最常見(jiàn)的[63-65]。但是目前的研究大多基于導(dǎo)熱率低的有機(jī)相變材料，未來(lái)需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)其他具有高性能的相變材料。熱管冷卻和相變材料冷卻技術(shù)都處于研究階段，受限于自身缺陷，在大規(guī)模儲(chǔ)能設(shè)備中的應(yīng)用都有較大的困難。
很多研究人員選擇將多種冷卻方式復(fù)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，最大限度發(fā)揮散熱效果。目前，主要的復(fù)合方式是將主動(dòng)冷卻和被動(dòng)冷卻相結(jié)合。Yang等[66]提出了將空氣冷卻和相變冷卻的復(fù)合冷卻系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明強(qiáng)制對(duì)流和相變冷卻復(fù)合后的冷卻系統(tǒng)可以將電池組的最高溫差控制到2 ℃內(nèi)。熱管冷卻和液體冷卻組成的復(fù)合冷卻系統(tǒng)可將電池組在3C放電倍率下的最高溫度控制在50 ℃內(nèi)[67]。復(fù)合冷卻系統(tǒng)面臨主要的問(wèn)題是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積/質(zhì)量偏大，如何優(yōu)化體積質(zhì)量還能保證冷卻效率是研究的難點(diǎn)。
6.1.2 低溫散熱技術(shù)
LIBs在低溫環(huán)境下容易觸發(fā)鋰枝晶和鋰鍍層誘發(fā)內(nèi)短路造成容量的永久性降低，因此低溫加熱系統(tǒng)是防止LIBs低溫?zé)崾Э氐闹匾窘?jīng)。根據(jù)加熱過(guò)程中熱源可以將電池加熱系統(tǒng)分為外部加熱和內(nèi)部加熱兩種。外部加熱主要包括空氣、液體、相變材料和熱電效應(yīng)等，內(nèi)部加熱主要包括電池內(nèi)電阻生熱和外部電流激勵(lì)加熱。
電池外部加熱主要包括基于空氣介質(zhì)的加熱、基于液體介質(zhì)的加熱、基于相變材料的加熱和基于熱電效應(yīng)的加熱，前三種加熱技術(shù)的基本熱傳遞形式與電池散熱的過(guò)程相似。空氣介質(zhì)的加熱技術(shù)雖然方法工藝成熟，但是其使用過(guò)程能耗高。隨著對(duì)電池安全問(wèn)題的關(guān)注度越來(lái)越高，在電池加熱/散熱一體化進(jìn)程中占據(jù)優(yōu)勢(shì)的液體介質(zhì)加熱技術(shù)成為了研究者關(guān)注的重點(diǎn)。相變材料的加熱系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，但是現(xiàn)階段該技術(shù)的工藝還處于實(shí)驗(yàn)階段，需進(jìn)一步優(yōu)化以降低成本。基于熱電效應(yīng)加熱電池的方法主要包括帕爾貼效應(yīng)、電熱效應(yīng)和電阻溫度效應(yīng)，具有體積小、無(wú)噪音、無(wú)振動(dòng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，但熱電效應(yīng)的加熱方式會(huì)影響電池的散熱性能。外部加熱技術(shù)面臨能耗較高、加熱效率低等缺陷，因此在原有技術(shù)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)新的電池加熱方式是眾多研究者的工作重點(diǎn)。
LIBs內(nèi)加熱系統(tǒng)中常用的加熱技術(shù)包括恒定電阻加熱、可變電阻加熱和高壓電加熱。以電阻元件為加熱源的加熱技術(shù)在熱轉(zhuǎn)換效率和成本方面均具有明顯的優(yōu)勢(shì)，不過(guò)使用過(guò)程中會(huì)存在升溫不均勻，體積占比過(guò)大的問(wèn)題，高壓電加熱技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造成本上更具優(yōu)勢(shì)。高壓電加熱技術(shù)根據(jù)電流不同又可以分為交流電加熱、直流電加熱和脈沖電流加熱，其中交流電加熱被認(rèn)為是電池低溫加熱最有效的方法。Zhu等[68, 69]分析交流電頻率和電流值對(duì)鋰鍍層的影響，發(fā)現(xiàn)低頻和大電流加熱會(huì)引起復(fù)雜的副反應(yīng)出現(xiàn)鋰鍍層，交流電高的振幅會(huì)加劇電池內(nèi)熱量的積累。Ruan等[70]提出交流~直流共同加熱策略來(lái)抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)；同時(shí)，他們利用多目標(biāo)遺傳算法對(duì)LIBs低溫下的內(nèi)加熱策略進(jìn)行優(yōu)化。
6.2 新型熱管理技術(shù)
當(dāng)前，新能源汽車(chē)領(lǐng)域正處于行業(yè)變革的關(guān)鍵階段，相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)正與多種新型技術(shù)相互借鑒、融合，比如大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)及云計(jì)算技術(shù)等。在電池安全性方面，區(qū)別于傳統(tǒng)技術(shù)需要耗費(fèi)大量勞動(dòng)和時(shí)間成本，基于人工智能技術(shù)來(lái)提高電池安全性已被廣泛研究。
數(shù)字孿生系統(tǒng)由多物理場(chǎng)、多尺度和輕量化等模型構(gòu)建而成，均具有極高的保真度模擬電池的特性。結(jié)合目前高速發(fā)展的云計(jì)算和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，數(shù)字孿生系統(tǒng)可以精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)電池內(nèi)部狀態(tài)及運(yùn)行狀況[71]。因此，基于數(shù)字孿生的電池制造和管理系統(tǒng)被廣泛研究并取得了一定成就。通過(guò)復(fù)雜的LIBs三維產(chǎn)熱模型來(lái)模擬、預(yù)測(cè)電池在熱失控條件下的演化過(guò)程及內(nèi)部變化。為了獲得計(jì)算迅速且精度高的電池模型，上海空間電源研究所改進(jìn)了原有的計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)了電化學(xué)模型的工程化應(yīng)用，并配備了標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)處理軟件。在多尺度智能系統(tǒng)工程領(lǐng)域，清華大學(xué)王笑楠教授提出基于發(fā)展策略可以應(yīng)用于電池管理，通過(guò)大量現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度的抽象建模，通過(guò)人工智能去分析其間存在的共性規(guī)律并給出可能的解決辦法。
在數(shù)字孿生模型的基礎(chǔ)上，電池內(nèi)的傳感器是數(shù)字孿生系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)的前線，起到為孿生模型提供感官的作用，通過(guò)在電池內(nèi)嵌入多維信息傳感器，實(shí)時(shí)獲取電源系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)信息，極大地提高數(shù)字孿生模型的準(zhǔn)確性，在獲取的信息與孿生模型不斷迭代優(yōu)化的過(guò)程中逼近對(duì)空間電源的完全映射，從而對(duì)電源的內(nèi)外過(guò)程進(jìn)行精準(zhǔn)解析和預(yù)測(cè)。近期，科研人員研究出多種極具創(chuàng)新性的新型傳感器技術(shù)：北京理工大學(xué)陳浩森教授團(tuán)隊(duì)[72]研發(fā)的多點(diǎn)式內(nèi)埋溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)無(wú)線實(shí)時(shí)內(nèi)部溫度場(chǎng)系統(tǒng)監(jiān)控，同時(shí)這種技術(shù)可廣泛應(yīng)用于不同類型傳感器；清華大學(xué)張強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)[73]發(fā)明了可檢測(cè)電池內(nèi)動(dòng)態(tài)電容/析鋰的檢測(cè)技術(shù)，可靈敏的預(yù)測(cè)電池?zé)崾Э亍４送猓斯ぶ悄芗夹g(shù)在電池制備和管理方面的應(yīng)用是全方面的，從電池制造解析，智能電池安全系統(tǒng)構(gòu)造，到基于復(fù)雜概率統(tǒng)計(jì)的電池健康狀態(tài)預(yù)測(cè)，自我完善能力等。

結(jié)論與展望

近年來(lái)，雖然動(dòng)力電池的安全研究取得了很大進(jìn)展，但是電池?zé)崾Э氐母咝Э刂坪皖A(yù)測(cè)研究還需進(jìn)一步優(yōu)化提高。對(duì)于LIBs的關(guān)鍵電池材料，選擇合適的電極材料、粘結(jié)劑、電解質(zhì)和電解液、或通過(guò)包覆、摻雜電極材料、向電極材料添加阻燃劑和過(guò)充保護(hù)劑等改性方法，均可以提高電池的熱穩(wěn)定性。同時(shí)，電極制造、電池裝配等工藝過(guò)程會(huì)影響電池的安全，優(yōu)化正負(fù)極活性配比、漿料的均勻度和厚度、涂布加熱溫度劑粘結(jié)劑與導(dǎo)電劑的配比，能很大程度上改善電池的安全性。目前，對(duì)熱管理系統(tǒng)的研究主要針對(duì)汽車(chē)領(lǐng)域，隨著動(dòng)力電池在海、陸、空等應(yīng)用空間的擴(kuò)展，在不同環(huán)境下的LIBs熱管理技術(shù)研究也成為未來(lái)趨勢(shì)。因此，通過(guò)整合不同學(xué)科（材料學(xué)、電化學(xué)、熱力學(xué)等）和新型技術(shù)（大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)及云計(jì)算技術(shù)等），建立精度高、適用范圍廣的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，將在很大程度上降低電池自燃甚至爆炸的概率，提高動(dòng)力電池應(yīng)用廣度。