两万字长文，欧阳明高院士倾囊相授锂离子电池热失控安全防控策略

核心内容

本文基于作者多年研究经验，系统地总结了涵盖材料、单体和系统等各个层面的锂离子电池热失控安全防控策略，提出了电池热失控抑制方案的未来发展方向。本文提出了描述锂离子电池热失控状态的时序图，用于梳理电池热失控过程的关键物理化学反应的演变过程，以准确解析锂离子电池系统热失控机理。在单体层面，热失控时序图指出了电池热失控与电池燃烧两种现象的内在联系；在系统层面，热失控时序图阐明了电池系统热蔓延和火蔓延两条路径及其联系，即传热驱动的可控蔓延路径与起火燃烧驱动的难控蔓延路径。在时序图的指导下，电池热失控防控可以通过靶向切断热失控状态之间的转移路径来精准实现。论文也梳理了各类造成电池热失控的”机-电-热”诱因，以保证电池系统能够得到全方位的安全防护。

 

 

关键词：锂离子电池；安全性；热失控；储能；电动汽车；内短路；自燃起火；电池管理系统；热管理系统；化学反应

 

 

锂离子电池热失控面临挑战

世界正在经历着电动化革命，它体现在移动电子产品、交通运输以及储能等各行各业。为支持电动化革命的进程，发展性能更优异的电池是全世界科学家共同努力的目标。锂离子电池已经成为目前应用最为广泛的电化学动力源，因为其具有高比能量、长循环寿命等显著的优点。然而，以热失控为核心的安全性问题，仍然是锂离子电池大规模应用过程中亟待攻克的难题。为保障电池的安全运行，急需开发有效的电池热失控防控策略。

 

锂离子电池热失控防控策略可以从材料、单体和系统层面入手，通过安全设计、安全监控和主动安全管理三方面来实现。一般地，防控方法和手段可以在热失控发生前、发生过程中以及发生后多个阶段发挥作用，达到降低热失控风险，减少热失控危害的目的。热失控安全防控策略应建立在对锂离子电池热失控机理的清晰认识的基础上，治病救人最重要的是对症下药。

 

拟解决的关键问题

安全性是锂离子电池大规模应用过程中需要首要解决的问题。近年来，以热失控为特征的锂离子电池安全事故时有发生，打击了电池行业的信心。锂离子电池热失控发生时，通常伴随着剧烈的放热化学反应，引起冒烟、起火甚至爆炸等危害。但是其具体失效机理尚未清晰，需要进行深入研究。

 

有鉴于此，本文深入总结了锂离子电池的热失控机理，并提出了系统化的热失控防控策略。提出了一种热失控反应时序图，以描述电池热失控的特性状态及状态之间的转移路径，成功解释了目前绝大多数的电池热失控现象及其内部反应机理。在此基础上，本文从材料、单体到系统层面提出了一系列电池热失控安全策略，以期降低锂离子电池的热失控风险，提升电池的安全性。

 

综述简介

有鉴于此，本文基于作者团队在电池安全领域多年的研究经验，系统地总结了与锂离子电池热失控相关的问题，在评述研究现状的基础上，指出可行的电池热失控防控策略，并探讨了锂离子电池热失控防控策略的未来发展方向。

 

要点1：锂离子电池热失控共性特征分析

图1为常见的锂离子电池系统热失控失效过程简图。可以看到，锂离子电池热失控通常由机-电-热滥用诱因引起，不过，制造过程中的潜在缺陷也可能在长期循环过程中触发电池热失控。锂离子电池热失控过程中释放出大量的能量，伴随有冒烟、起火甚至爆炸等现象。单体电池热失控发生后，又会进一步蔓延至相邻单体，造成整个电池组的热失控。本文聚焦于锂离子电池热失控安全防控，将在深入探究锂离子电池热失控机理的基础上，提出一系列的热失控防控策略。图2和图3为单体电池层面的热失控机理以及基于机理研究的热失控防控方法；图4展示了电池系统层面的热蔓延机理及防控方法；图5分析了锂离子电池滥用失效机理及相应的防控策略。

 

 

图1. 锂离子电池系统热失控失效过程示意图。

 

锂离子电池热失控安全防控策略的目的在于提升电池热稳定性，以降低热失控危害。尽管锂离子电池的安全性能可能还受到其他因素的影响，但本文主要聚焦于电池的本征热稳定性，不管怎样说，剧烈温升总是电池热失控的必然后果。锂离子电池热失控特性的定量测量与分析是开展电池热失控防控的基础。加速量热仪（Accelerating Rate Calorimetry，ARC）可以在测试过程中保持绝热环境，排除环境散热的影响，从而准确地测量电池热失控过程中的产热量，实现电池热失控特性的定量分析。而环境散热对电池热失控特性的影响将在图4所示的系统热失控层面进行讨论。基于本课题组的研究经验，使用ARC进行测试，可以获得高重复性的电池热失控测试结果。

 

图2展示了使用ARC开展电池热失控测试的基本流程与典型测试结果。在测试过程中，电池被放置于ARC腔体内部，ARC工作在“加热-等待-搜寻”的工作模式下，其在检测到电池发生明显的自产热后进入“绝热跟踪”模式，进一步为电池热失控产热测试提供绝热环境。ARC测试过程中记录的电池温度和电压信号可用于分析电池热失控机理。基于大量的不同种类电池的加速量热(ARC)测试结果，我们总结出了锂离子电池热失控过程的三个共性特征温度{T1, T2,T3}和一个关键参数——最大温升速率max{dT/dt}。其中，T1代表绝热测试过程中的电池产生自生热起始温度，表示电池在T1附近出现可检测的放热，一般对应着石墨负极的表面SEI膜分解。T1反映了电池的整体热稳定性。T2对应电池热失控的触发温度，在此温度下电池的温升速率dT/dt由缓慢上升转变为急剧上升，温升速率dT/dt可增加几个数量级。T3对应绝热失控测试中获得的电池热失控最高温度。而最大温升速率max{dT/dt}为电池热失控过程中的最大放热率，统计结果表明，与电池的能量密度正相关。简而言之，单体电池热失控防控的目标就是提升T1和T2，降低T3和max{dT/dt}。

 

图2. 锂离子电池热失控共性特征。

 

要点2：从单体层面减轻电池热失控危害

对热失控危害的精准调控需建立在对电池热失控机理深刻认识的基础之上。热失控反应时序图可以用于揭示不同商品电池的热失控机理，其在时间线上清晰阐明电池热失控发生过程，如图3所示。热失控反应时序图建立的基础是电池组分热力学系统的概念，并根据各个物理/化学过程的所处热力学环境进行分类梳理与定量评估。一般地，现有电池的热失控物理/化学过程可发生在电池内部或外部，因此，我们呈现出一种二维的电池热失控时序图，如图3所示。图3（a）概括了电池热失控过程中其内部（IN）路径和外部（OUT）路径的演变过程。内部路径代表电池内部的化学反应引起的热失效，而外部路径则表示电池外部的冒烟，起火或爆炸等过程。电池热失控可以通过调节各反应路径的时序来进行缓解。首先，我们需要整理出电池热失控过程中各个物理/化学过程的时序图，然后就特定的靶点提出电池热失控防控策略。图3b中暖色区域显示了某款锂离子电池热失控过程的详细时序。左侧向上发展的内部路径代表电池内部发生的一系列物理化学过程，右侧向上发展的外部路径代表电池外部观测到的电池冒烟、起火、爆炸等现象。

 

电池内部路径（IN Path）决定了电池温度的升高，可用于解释热失控三个特征温度{T1, T2, T3}形成的机理。电池内部路径包含正极或负极各自发生的反应，正负极之间的氧化还原反应以及内短路。电池外部路径展示了电池外部观测到的电池冒烟、起火、爆炸等现象。电池的喷发时刻对电池外部路径的发展至关重要。电池喷发主要由气体泄露引起，是外部冒烟、起火和爆炸的必要条件。

 

时序图中，电池内部路径（IN Path）描述了从正常工作状态到热失控过程中电池内部发生的物理/化学过程。自产热起始温度T1一般由石墨负极SEI膜的分解而引发。通常情况下，以石墨为负极的电池从T1升温到 T2的热量主要来源于SEI膜的分解与再生反应。热失控触发温度T2则可以用“短板效应”来解释，即隔膜、正极或负极三者的最薄弱环节决定了T2。我们知道电池热失控过程中的主反应为正负极之间的剧烈氧化还原反应（图3b中的热失控状态TR-V），而T2对应的具体过程就像是一个触发主反应的引爆器。迄今为止，已知的T2触发反应包括：1）隔膜失效引发的剧烈内短路；2）三元正极释放活性氧；3）充电不当引起的电池负极表面析锂。因此，我们认为很有必要对T2的形成机理进行解释。传统的认知里，内短路被认为是热失控的触发反应。这并没有错，因为传统锂离子电池热失控发生过程中，图3b中热失控状态TR-III(正极反应)和TR-IV（负极反应）的触发温度是远远高于内短路的。然而，近年来，随着隔膜崩溃温度的大幅度提高，而正极、负极的利用率和能量密度不断提升，我们发现了更多能够引发T2的触发反应，如在图3b中的热失控三种触发机理所示。

 

例如，我们试图将充电时间缩短至15分钟以内，需要进行超级快充，超级快充可能会导致负极大量析锂。负极表面上一旦有大量析锂，电池自产热温度T1会降低至60℃，甚至更低。最近的一些电池事故的热失控的原因就很可能是由于快充后析锂导致的。这让我们隐约想起了上世纪80年代E-One MoLi公司的系列事故。在正极侧，高镍正极材料的应用将降低电池热失控过程中氧气释放的起始温度，而电池内部出现活性氧显然对于热失控来说是致命的。尽管充分了解电池热失控机理的背景和机理所需的时间比较多，产业界还是应当了解图3b中所示的三种热失控触发机理。最后，电池温度从T2 到 T3的过程中，内部的氧化还原反应会释放大量的气体。一旦温度超出铝集流体的熔点660℃，电池内的活性物质会脱落并随着气体从电池内部喷出。

 

电池外部路径（OUT Path）的物理/化学过程主要包括冒烟、起火、爆炸等。电池的喷发对连接热失控过程的内外两条路径至关重要。当电池内部的气压超过泄压阀的预设压力时，电池就会喷发。电池内部聚集的气体主要有两个来源：1）碳酸酯类溶剂的气化和2）副反应。溶剂的气化是T2前的电池内部主要气体来源，而副反应产气主要在T2后起主导作用。当温度超过二元/三元溶剂中任何组分的沸点时，电池的内部压力将增加。对于没有泄压阀的软包电池，一旦电池内部压力增加，气化后的溶剂很容易从电池内喷出。而带有泄压阀的硬壳电池可以维持一段时间，直到电池内部压力大于泄压阀的开启压力。因此，软包电池的喷发温度接近碳酸酯溶剂的沸点温度，而硬壳电池的喷发温度更高。在气体耗尽之前，电池将处于鼓胀的状态，如图3b中的V-I/F-I 所示。可燃气体一旦从电池内喷发出来，就将触及“火三角”的三要素。到目前为止，细心的读者可能已经意识到热失控和着火之间可能没有必然的联系，热失控和着火的演变路径是几乎完全平行的，如图3b所示。然而事实上，热失控产生的大量热量正是“火三角”的三要素之一；热失控升温导致电池破包，而喷发过程中产生的火星点燃了可燃气体。热失控是造成锂离子电池冒烟、起火、爆炸的根本原因。值得一提的是，正极释放的氧气不足以使易燃电解液完全燃烧；因此，在热失控过程中，电池内部不会发生燃烧。

 

外部路径有助于解释失效试验中所观察到的现象。近年来的研究发现，工业界电解液中通常含有两种或两种以上的溶剂成分，其沸点不同，将导致电池热失控过程发生多次喷发。每达到一种有机电解液组分的沸点时，就可能会触发一次喷发。对于使用三元组分电解液的电池而言，就可能发生三次喷发，观测到三次射流火。在热失控T2和T3之间过程中，电池喷射出来的有机小分子也可以被点燃，形成额外的喷发及对应的射流火。所以，从理论上来说，对于使用三元组分电解液的电池，热失控过程可能伴随有最多四次射流火的发生。然而，在实验过程中，通常看到的是两次射流火，因为两次射流火可能因特征温度相同而合并。具体地说，电解液中的碳酸酯类溶剂的沸点相当接近（DMC 90℃、EMC 108℃、DEC128℃），达到沸点后泄压阀可能会保持一段时间才被打开，因此，100-130℃的射流火可能会合并。此外，EC（250℃下）的沸点接近或高于一般的热失控T2温度，因此在热失控高速喷发过程中，合并了由于EC气化造成的一次射流火。无论射流火的次数有多少，多级射流火都给锂离子电池的灭火工作造成了非常大的困难。灭火器可能会扑灭第一次的射流火时被大量消耗，而在扑灭下一次射流火时则储备不足。一些报告将多次起火称为“复燃”，但我们认为，复燃潜在的反应机理可以用图3b所示的热失控时序图来解释。尽管外部的火可能已经被扑灭，但是由于电池内部的化学反应仍在持续，电池的温度会继续升高，并开始新的喷发和射流火。综上所述，基于热失控时序图，锂离子电池的灭火过程不仅要考虑外部的火，还要考虑对电池内部化学反应的协同抑制。甚至，由于电池内部化学反应是主要原因，其可控性和扑灭随机发生的起火相比更强，应投入更多精力在抑制电池内部化学反应上面。

 

当电池发生剧烈喷发时，热失控的电池内部路径和电池外部路径将发生交汇，如图3上方所示。一些电池热失控测试过程伴随着大量的黑烟生成。本论文提出的热失控时序图可以进一步用于分析电池热失控测试过程中冒出烟气的颜色变化对应的内部反应机理。电池热失控释放的黑烟中含有大量的正极活性物质，黑烟的释放意味着电池内部温度已经超过铝集流体的熔点（660°C），而白烟或灰烟的主要成分是电解液蒸汽，一般在更早之前的热失控状态（V-II或者V-III）时释放。当锂离子电池热失控过程发展到状态V-IV时，高速喷发时喷出大量活性物质颗粒将可能隔离氧气和可燃气体，将已经出现的火焰吹熄。然而，一旦喷发停止，将可能发生复燃。同时，电池内部也可能发生复燃，因为此时电池内部系统和外部系统已经连通，电池内部的可燃残骸将可能接触空气而发生燃烧。

 

借助锂离子电池热失控时序图，我们可以清楚地梳理电池热失控机理，并在此基础上进行精确的电池热失控防控，具体策略已经在图3中的蓝色区域列出。这里，我们首先明确锂离子电池热失控防控的定量目标：即，提升T1和T2，降低T3和max{dT/dt}。单体电池热失控防控策略可以通过机械防控、电气防控或热防控等方式来实现，如图3（b）所示。通过电解液添加剂使得负极表面生成高热稳定性的SEI膜，有助于提升电池自产热的起始温度T1。而对于电池热失控温度T2的调控则应当充分考虑电池热失控的三条触发路径。高稳定型隔膜，如陶瓷涂覆隔膜、氮化硼涂覆隔膜，可以在高温下保持结构稳定不发生崩溃，可以提升电池到达热失控状态TR-II所需温度，有助于提升电池的T2稳定性。另外，可以在电极或隔膜上涂覆热刺激响应的聚合物材料，可以在特定温度下切断短路回路，降低热失控风险。电池热失控状态TR-III时许可以通过表面包覆等方法阻断正极分解时的氧气释放路径来调控。然而，表面包覆方法抑制氧气释放的效果在电池全生命周期内有效性仍需要进一步的研究。如果开发一种技术，及时捕捉正极分解时表面释放的氧气，则可以大大推迟热失控状态TR-II的出现。然而，目前为止还没有看到相关技术的出现，值得进一步研究。另外，将正极材料的二次颗粒结构从多晶提升为单体颗粒可以正极颗粒表面积，会有助于延后正极的分解释氧。负极的热稳定性主要影响热失控状态TR-IV，特殊的电解液添加剂可以提升负极表面SEI膜的热稳定性，同时可以帮助形成均匀的SEI膜，以抑制负极锂枝晶生长。负极表面包覆Al2O3涂层同样有助于抑制锂枝晶生长，但研究表明，金属锂仍然可以在负极表面和涂层之间沉积。最后，我们希望通过对电池热失控状态TR-V和TR-VI的调控，同时降低热失控最高温度T3和最大放热率max{dT/dt}。具体地，可以通过中和电池内部氧化物和还原物的反应活性来实现温和的氧化还原反应，降低热失控危害。近年来，一种新的概念，我们称之为“自毁电池”，可能有望用于降低热失控释放总能量和放热速率。部分研究者在“自毁电池”的方向上做了一些前瞻性的研究工作，包括：1）使用热刺激响应的聚合物材料来阻断正负极直接接触发生剧烈氧化还原反应；2）通过集流体的结构设计隔离局部热失控失效区域，以阻止热失控在单体内的蔓延。斯坦福大学刘凯等人提供了一个“自毁电池”设计的案例：他们把防火剂装进微型外壳后，通过静电纺丝技术植入隔膜中，当电池发生热失控导致温度升高时，外壳则会受热熔化，防火剂喷出释放，抑制电池燃烧。

 

我们相信在不久的将来，在热失控反应时序图的指导下，将会出现更多的电池“自毁”技术。针对电池电池外部路径的灭火，我们提出了以打破“火三角”三要素为重点的防控策略。首先，我们需要正确地设计一个排气阀，以控制电池在合适的温度下发生喷发；使用惰性气体将可燃气体稀释到稀燃极限以下也可能会有帮助。往电解液中添加阻燃剂或直接使用不燃电解液也有有助于抑制起火。然而，阻燃剂可能会对电池的容量和循环性能产生负面影响。最近的研究表明，不可燃高浓度电解质可能有助于提升电池的安全性和性能。电解质热稳定性提高有助于提升电池安全性。因此，通过更换溶剂改变电池喷发时刻，可能会对调节起火的开始时间有所帮助。

 

值得注意的是，锂离子电池热失控过程的实际时序图可能比我们所呈现的还要复杂。因为，电池热失控受许多因素的影响，限于篇幅，本文的时序图中并没有包括进来。另外，虽然我们提出了时序图用于指导热失控防控，我们仍然需要训练有素的行业从业人员来正确地将相应的防控策略付之于实践，才能设计出一款安全电芯。要知道，良好的热失控防控策略应当建立在不影响锂离子电池性能基础上，而且不额外增加太多成本，这给单体层面热失控防控策略的开发带来了很大的难度。这解释了为什么更多的热失控防控策略是在系统级而不是单体级开发的。电池系统级的热失控防控技术对电池安全提升也是至关重要的。

 

 

图3. 锂离子电池热失控状态及相关防控策略。

 

要点3：从电池系统层面防控热失控蔓延

在系统层级，热失控首先在某一节单体电芯中发生，然后蔓延到相邻的电芯，如图4所示。从图4(a)可以看出，电池系统的热失控蔓延过程同样存在两条传播路径，非常类似于图3中展示的双重路径。一个可预期的失效路径是由固体传热所驱动的，如图4(a)中横轴的灰色箭头所示。图4(a)中斜轴的红色箭头表示的是由气体和火焰传播引起的热失控蔓延，这条路径很难控制，是我们所不希望出现的。我们把底部的传播路径称之为可控的热失控蔓延路径，因为传热路径的过程规律相对明显，防控相对容易。而上方的路径称之为难控的热蔓延路径，因为气体和火的传播具有不确定性，这使得我们很难通过截断这一路径来实现防控。一旦满足以下条件:1)气体迁移，2)电池系统壳体完整性缺失，3)着火，失效状态就可能从可控路径迁移到难控路径。为了在系统层级防控热失控传播，我们倾向于将热失控蔓延在尽量简单可控的路径上实现切断。

 

图4(b)详细说明了电池系统层面的热失控蔓延时序图。我们所预期可控热蔓延时序为如图4(b)的水平路径所示。首先，热失控在电池模组中传播，从热失控单体蔓延到相邻单体(状态P-TR-II)。其次，热失控从失效模组蔓延到相邻模组(状态P-TR-III)。如果能够很好地控制热蔓延速度，就不会发生灾难性的危害，我们则可以通过电池包上的安全阀排出热失控所释放的气体。在这种情况下，即使发生火灾，造成的危害也是可以接受的。然而，在实际应用中，热失控蔓延可能会从可控路径过渡到不可控路径，出现严重的火灾危险。从可控路径向不可控路径的第一个转换点可能发生单体电池热失控触发后。排气阀设计和电池封装是需要注意的问题，例如，如果电池包外壳的耐压能力低于排气阀的开阀压力，就可能会导致意外的排气，此时气体不会从排气阀中排出来。一旦满足了火灾三要素，意外排出的可燃气体可能会被点燃。第二个转换点很可能会出现在热失控从一个模组蔓延到另一个模组时。一些电池包的测试结果表明，相邻模组中的多个电芯可能会由于剧烈的侧向加热而同时发生热失控。与第一个转换点相比，第二个转换点对应大量的热量释放，从而极大地增加了从可控路径转移到不可控路径的风险。换句话说，当热蔓延释放出了更多能量时，在系统层级进行热失控防控就变得更加困难。图4(b)中的斜轴总结了不可控热蔓延路径下电池系统失效时序。需要注意的是，横轴的可控路径中的过程仍在继续，尽管不可控的火灾也已经开始。这两条路径平行发展，并基于热失控蔓延所释放的能量相互加速。火灾释放的热量大于热失控，因此，一旦斜轴不可控路径的过程开始，两条路径的发展速度将显著加快。如果热失控蔓延没有得到很好的控制，这两条路径将在“P-F-III”状态(图4b)处合并，此时电池组将发生爆燃并最终烧毁车辆(P-F-IV)。

 

在可控失效路径(图4b横轴)中控制热蔓延传播速度是电池系统热失控防控的基础。当然，首先我们希望有更多可行的对策来优先防止热失控的发生，这部分防滥用设计将在后文中的图5进行阐述。电池系统层级的热失控蔓延防控设计通常包括电池热管理系统的安全设计。我们需要控制热传递途径来抑制相邻电芯之间的热蔓延，有效的方法包括隔热、强制散热和通过快速放电降低相邻电池的荷电状态。在电池/模块之间设置隔热层是抑制电池/模块之间热蔓延的最为经济有效的解决方案。可采用珍珠岩、玻璃纤维、陶瓷板、岩棉板、硅酸钙、气凝胶、石墨复合板、铝挤压、相变材料等材料制作隔热层。隔热层需具有低导热系数(< 0.1 W·m-1·K-1)，高工作温度(> 600℃)，以在热失控条件下保持完整性。如果隔热层能吸收大量的热量，隔热效果就会增强。吸热可采用热容大的材料或相变材料来实现。我们可能需要具有综合性能的复合材料，例如一些组分用于在高温下保持完整性，而另一些组分用于隔热/吸热。然而，目前电池热管理所需的散热设计和防止热蔓延所需的隔热设计之间仍然存在矛盾，往往难以解决。另外，安全设计必须考虑电池热管理系统的运行方式对热蔓延防控的影响。工业界中电池热管理系统所使用的配件包括侧板、冷却板、盖板等。有时，冷却板会对防止热蔓延起到负面作用，因为它们对热传导的贡献可能大于对散热的贡献。考虑到电池系统层级实验成本高、重复性差等问题，我们急需发展基于模型的电池系统热失控蔓延防控设计。此外，我们需要注意的是，在可控热蔓延路径中所设置的防控策略的设计参数应该通过反复的证明和修改来确定，以避免发生不可控热蔓延，引发其他安全事故。

 

电池系统可控热失控蔓延向不可控热失控蔓延的第一个转换点可以通过合理控制系统内高温气体的排出来切断。具体地，通过对电池包排气阀的合理设计，加强电池包壳体的强度，消除薄弱环节，以达到上述目标。而对于第二个转换点，目前还没有很好的控制方法。系统级的火灾预防沿用了图3b所示单体层面的一些方法。可用的对策包括：使用耐火材料保护电池组内的配件；利用惰性气体稀释可燃气体至稀燃极限以下；电池包内充填封装惰性气体(如氮气或氩气)；使用阻燃剂等抑制燃烧；引入快速释放阻燃剂的弥散剂等其他有助于灭火的方法。此外，为了保护乘客，需在电池系统和乘员舱间设置防火层，以阻断电池包与乘员舱的热量传递。

 

总之，如果可以在系统层面实现热失控防控，高比能量锂离子电池仍然可以推广应用。然而，在系统层面，热失控蔓延过程往往伴随着剧烈产热和高温度梯度下的传热。热失控并不仅仅单纯地通过传热来进行蔓延，而是通过热-反应耦合作用下进行蔓延。热失控防控策略需要切断单体之间的热-反应耦合的蔓延路径。有时候，我们需要综合各种方法来应对电池热失控时的剧烈放热。例如，隔热设计虽然切断了热传导，但同时会造成大量热量在局部区域聚集。因此，应当相应的散热设计以及时带走积累的热量，类似于大坝设计中用于辅助控制洪水的导流渠。模型仿真分析工具对于电池热管理系统的安全设计至关重要，以同时实现热失控蔓延抑制与快速散热。系统层级的热失控蔓延防控应该着力于以抑制如图4（b）横轴中的热蔓延，因为在斜轴中的起火燃烧等现象往往很难直接控制。基于防爆和灭火理论的防控策略可能有助于缓解不可控热蔓延的危害，但必须充分考虑电池热失控的特性。消除或减少热失控的诱因也很重要，这部分将在下一小节中介绍。

 

 

图4. 锂离子电池组热失控状态及相关的防控策略。

 

要点4：电池热失控诱因防范策略

机-电-热滥用等热失控诱因防范是电池系统安全设计与管理的重要目标，具体包括：减少滥用发生的可能性，及时消除可能的滥用危害，并实现滥用失效早期预警。准确了解电池滥用失效机理是实现电池热失控诱因有效防范的基础。

从滥用的物理形式来看，电池滥用失效可以划分为机械滥用、电滥用和热滥用三种，如图5(a)所示。对于上述三种滥用形式，容易设定相应的测试标准和法规，来进行针对性的安全测试评价。然而，近年来，测试标准/法规开始落后于实际电池产品的研发和应用，具体体现在：1）不能很好地评估采用新化学体系（如高镍正极、硅碳负极等）的高比能量电池的安全性；2）缺乏评估电池在极端使用工况（如超级快充、极端低温/高温使用）下的安全性的测试项目。测试标准/法规的逐步完善与发展需要建立在对电池内部热失控机理深入研究的基础上。

 

随着研究的深入，我们进一步发现，宏观物理滥用（机械、电和热滥用）只是热失控诱因的外在表现形式，实际电池热失控行为，来源于内部电化学热力学系统的滥用，简称为电化学滥用。电化学滥用指的是电池电化学热力学系统在极端情况下，无法维持正常电化学反应的现象。实际情况下，新体系高比能量电池的安全工作窗口可能会变窄，导致电化学滥用发生的可能性增加。此外，市场对电池性能的要求（充电速度、工作温度等）不断提升，不断逼近电池安全窗口的极限，也有可能增加电化学滥用风险。

 

图5(b)为将图5(a)中的热失控诱因细化后的结果。可以看到，不同滥用状态之间可以发生转换，存在因果关系。机械滥用会诱发电滥用，而电滥用则可能进一步触发热滥用，最终导致电池热失控发生。例如，电池碰撞（机械滥用）将导致电池内部内短路这种电滥用，而内部短路产生的热量将导致电池温度升高，造成热滥用，最终造成电池热失控。在实际测试或事故过程中，不同滥用状态之间的转换速度可能很快，以至于无法区分不同的状态。此时，电池热失控宏观上看起来是由特定滥用直接触发的，没有经过不同状态的转移和发展。然而，我们应当意识到，无论在何种滥用情况下，电池内部的热失控过程总会经历时序图中的系列反应，并在温度达到T2时发生热失控。尽管现实中仍有少部分电池热失控事故的具体诱因仍无法确定，目前被归因于电池制造/使用过程中的潜在缺陷。但我们相信，随着研究的深入，这部分热失控事故的诱因也必将和热失控时序图中的各个反应和状态建立联系，相关研究发现也有助于进一步完善热失控时序图。

 

电池滥用可能发生在系统、模组、单体或材料层面，如图5(b)所示。滥用失效也会从系统层面到材料层面进行传递和转移。比如，车辆碰撞会导致电池组变形，发生机械滥用，进一步引发电池模组变形，导致单体电池被挤压。而在材料层面，一旦电池内部的隔膜因机械变形而撕裂，无法有效地隔离正极和负极，电池将出现内短路电滥用。电池的电滥用还包括不当充电、泡水和外部短路等。不当充电指的是过充或不当快充，将可能导致电池负极析锂。电池系统泡水会导致外短路滥用，并伴有易燃气体的产生。有趣的是，电池泡水过程中产生的可燃气体主要来自泄漏的电解液，而非电解水产生的氢气。热滥用主要由电池系统内局部过热引起，已经探明的局部过热原因是系统内电池之间金属接头松动，导致接触电阻异常，产生大量的电阻热。另外，机械滥用和电滥用最终都可能演变成热滥用，诱发电池内部的放热副反应，将电池加热到极高的温度。上述宏观的滥用形式在电池层面很容易进行分类，并设定相应的测试标准/法规，来进行针对性的安全评估。

 

电池测试标准/法规通常由政府或行业组织制定，主要目的是在电池产品上市前准确评估其安全性，降低实际应用过程中事故发生概率和危害。测试标准/规定的制定对电池产品的安全至关重要，尤其是考虑到电池厂家往往倾向于用较危险的高性能材料来提升电池产品性能。测试标准/法规制定的难题在于如何制定合理的测试方法，以尽可能准确评估电池在实际使用过程中的安全性，但又不能过于严苛，否则会限制高比能量电池的开发和应用。现有研究表明，不同滥用测试方法得到电池的热失控特性和危害不同，测试标准/法规制定的过程中应充分考虑不同的情况。比如，美国NASA和NREL的研究人员发现内短路测试可以用于诱发最严重的电池热失效。因此，内短路测试应当被纳入新的测试标准/法规中。然而，内短路测试并不能代替其他类型的滥用测试，因为内短路仅仅是现实中可能导致电池热失控的诱因之一，如图5(b)所示。我们不能期望只用一种滥用测试（例如针刺等）来评估和保障电池在使用过程中的安全性。任何一款新开发的电池的安全性都需要通过测试标准/法规中所要求的一系列滥用测试来进行全面的评估。

 

完善的测试标准/法规需要准确评估电池在实际应用中的综合性能。我们认为，为了保证锂离子电池使用过程中的安全性，所有可能诱发电池热失控的滥用形式都应纳入测试标准/法规中。尽管实际各种事故的触发过程很难被特定测试方法完全准确地模拟，但我们允许测试标准/法规在具体的测试方法上进行适当的简化，只需要确保制定的测试方法可以评估实际最危险情况下电池的安全性。除了需要模拟实际事故失效形式外，测试标准/法规的测试方法还必须具备良好的多次可重复性和异地可复现性。图5(b)中的绿点表示的是目前标准/法规中已经要求的滥用测试项目。这些测试标准/法规的存在，确保了数十亿的商用电子产品、数百万的电动汽车和数百个储能电站的长时间安全运行。

 

然而，当电池性能进一步提升时，电池会在材料层面出现新的滥用失效形式。比如，在降低成本和提升比能量的驱动下，电池厂家正逐渐发展高镍三元正极材料。然而，当三元正极材料Li(NixCoyMnz)O2中的镍含量x超过0.8时，其热稳定性会急剧下降，在高温下释放大量的氧气，降低电池热滥用抗性。业界推崇的超级快充也可能诱发电池电化学滥用，降低电池安全性。我们最近的一项研究成果表明，经历超级快充后，电池的自产热起始温度T1将从100℃下降至60℃，而T2将从210℃降低到100℃，热稳定性急剧恶化。超级快充后电池热稳定性的急剧恶化主要源于超级快充过程中负极表面的析锂。负极表面析出的金属锂会与电解液发生剧烈反应，直接触发电池热失控。内短路是另一个潜在的滥用失效形式。如果在没有发展出高性能隔膜前，单纯地通过增加活性物质负载量来提升电池比能量，将可能增加电池发生自引发内短路的风险。图5(b)中，红点标注的是目前标准/法规中还没测试评价要求的滥用形式。可以看到，作为隐藏在宏观物理滥用下的电化学滥用诱因，正极高温释氧、负极析锂和内短路（有趣的是，这刚好是图3中的热失控三叉戟，全部发生在材料层面）均还没有相应的测试评价要求。

 

因此，我们迫切地需要制定测试标准/法规来评估热失控三叉戟对应的电化学滥用造成的电池热失控危害。幸运的是，EVS-GTR、ISO和IEC的专家们正在研究相关的测试方法，以评估各种新出现的滥用失效行为。得益于不断发展的测试法规/标准，我们仍然可以相信电池行业会一直提供安全可靠的产品。标准/法规制定者需要清楚地认识到宏观滥用条件下还隐藏着电池内部的“电化学滥用”，并在这基础上不断发展和完善测试标准/法规，以期赶上电池化学体系和使用工况的发展和进步。而针对电化学滥用相关的热失控诱因，需要充分了解电池组份材料的安全工作窗口及电化学滥用失效机理，才能提出有效的安全防控策略。

 

电池热失控防控可以通过在产品设计或管理阶段设定系列化方案来进行防控。对于机械滥用诱因，其关键在于避免电池系统出现大变形而进一步引发内短路。因此，可以通过电池组结构优化设计，来减少碰撞情况下的电池内短路发生概率和可能的内短路危害。另外，电池防机械滥用设计还需要同时考虑电动汽车车载部件的耐撞性和轻量化。在电池组设计中使用更多的刚性结构、能量吸收结构和单体电池的正确放置是增强电池组机械滥用抗性的三种有效方法。除了电池组碰撞/挤压滥用防控设计，Samsung SDI还发明设计了电池内部的电流旁通结构，以降低针刺滥用下的电池热失控风险（图5b中的M-V状态）。电池在机械滥用下发生壳体破裂后，将可能发生漏液，进一步引发火灾或爆炸，造成更大的危害，如图3和图4所示。在电池系统内增加挥发性有机化合物（VOC）传感器有助于实现电池漏液故障的在线诊断，但目前只有少数几种VOC传感器产品可以满足车规级要求。

 

电池电滥用诱因防控的关键在于合理管理电池的电化学能量流与物质流。充电管理对于锂离子电池的安全使用至关重要。对于过充电滥用防控，一旦充电电压超过限制，电池管理系统（BMS）应主动切断外部充电电路，同时电池内部积累的气体将触发CID装置及时切断内部充电回路。而对于超级快充引起的负极析锂滥用防控，我们需要开发基于模型的无析锂充电控制算法，通过实时观测负极过电势，调整充电电流，保证负极过电势始终高于析锂电位阈值。此外，也可以在电池内部植入参比电极直接测量负极过电势，并基于测量结果快速标定电池无析锂快充电流MAP图。尽管现在参比电极在使用寿命上还存在一定的问题，基于参比电极测量负极过电势的电池快充MAP图快速标定方法正在被业界广泛采纳。提升电池温度也有助于降低充电过程中负极析锂的风险。Yang等人发明了基于快速加热的电池快充策略，提升了电池充电速度，同时降低了析锂风险。一旦电池不幸发生了析锂，应当开发相应的检测方法来评估电池负极的析锂量。析锂量的离线评估可以通过核磁共振（NMR）或中子衍射测试实现。最近的研究进展表明，使用滴定气相色谱法和冷冻电镜也可以实现金属锂负极析锂量的定量表征。而析锂量的在线评估目前主要是通过检测和分析电池析锂后出现的特征电压平台来实现。此外，外短路滥用也是电池在实际使用过程中应当进行防控的。泡水可能会导致电池发生外短路滥用，并产生电弧击穿电池外壳，进一步导致可燃电解液的泄漏。为防控泡水诱发的外短路滥用，电池系统的防水等级应达到IP6X（X≥7）。另外，CID装置或其他具备正温度系数功能的装置可用于在大电流情况下切断电路，防控外短路滥用。但这些装置可靠性和效果有时不如预期。

 

在目前探明的电化学滥用方式中，内短路占绝大多数，超过90％的宏观物理滥用情况中都伴随着内短路的发生。一般而言，内短路由电池隔膜的失效导致正极和负极接触引起，可能包括以下原因：1）机械滥用下，隔膜因针刺或挤压而破裂；2）电滥用下，隔膜被枝晶刺穿；和3）热滥用下，隔膜在高温下发生大规模崩溃。内短路诱因防控的关键在于借助基于模型的故障诊断算法在内短路早期阶段将内短路电芯准确识别出来。基于开路电压或自放电电流的实时监测，可以实现内短路的离线检测。而内短路在线检测可以需要BMS根据实时测得的电压、温度或其他信号，开发内短路故障诊断算法来实现。集成内短路识别、可燃气体和电池包内压检测等的电池综合故障检测算法有望在早期识别热失控风险，实现热失控早期预警。另外，新型传感器的开发也可能为内短路检测提供替代方案。Wu等人在电池内部设计了双功能隔膜，利用隔膜提供的新信号，可以在枝晶发展为内部短路之前识别出来，降低了内短路风险。

 

热滥用诱因防控策略的目标在于控制电池的工作温度在安全工作范围内。电池温度控制通常通过热管理系统来实现。考虑到潜在的外部燃烧带来的风险，热管理系统设计时可以引入不可燃材料以实现防火。另外，已经探明的一种热滥用情况是由电池组汇流排松动导致的局部过热。对于这种故障，可以开发基于电压特性的接触内阻故障诊断方法来进行检测。对于其他情况下热滥用防控，我们可能会需要回到图3，进行单体电池热失控防控策略的研究。总的来说，电池系统的热失控防控包罗万象，需要综合考虑热失控发生的全过程，包括诱因、发生和蔓延等。说了这么多，讲到这里，细心的读者可能已经发现，我们的介绍已经不知不觉中形成了闭环。

 

 

图5. 锂离子电池系统滥用失效情况和相关的防控策略。

 

小结与展望

在前文中，我们系统地综述了锂离子电池热失控安全防控策略的最近研究进展。研究人员和工程师仍需要进一步针对高比能量锂离子电池开发相应的热失控防控策略，以解决高比能量电池大规模应用中可能遇到的安全问题。锂离子电池热失控防控策略可以作用于材料、单体和系统等多个层面，可以采用化学反应、机械防护、电气保护或热管理等任意方式。只要可以实现以下任一目标：1)减少滥用发生的可能性，2)在滥用发生时及时消除，实现自修复，3）提升单体电池热稳定性，增强滥用抗性；4）减少热失控释放的能量；5）提前识别并预警潜在的热失控风险；6）将热失控限制在有限的区域内，减轻热失控蔓延的危害，所开发的电池热失控安全防控策略便可以认为是有效的。基于上述分析和目标，每位研究者都可以开发独特的技术，为提升锂离子电池的安全性做出自己的贡献。

对于电池热失控防控策略的未来发展方向，我们认为以下研究方向值得开展进一步的研究，以期降低锂离子电池的热失控风险，提升电池的安全性。

 

1）基于时序图开展热失控反应时序调控。我们建议研究人员在开展有关提升电池安全性的研究时，无论准备使用哪种技术，都应该先充分了解电池热失控反应时序图。时序图可以帮助研究人员在开发过程中确定抑制策略所针对的热失控状态或状态间的转移路线，节省研发时间。为了巩固时序图的应用效果，应当进一步建立涵盖热力学、动力学、反应物和产物等信息的热失控热化学反应特性数据库，以推动基于时序图的电池热失控防控策略定量设计与开发。这种新范式将极大地提升电池热失控防控的研究效率和效果，值得开展深入研究。

 

2）研发高热稳定性组份材料（正极、负极、电解质等）以提升电池本征安全性。为提升电池性能和安全性，现有研究者几乎已经探索了所有可能的负极和正极。在未来，采用本征不可燃的固态电解质（包括聚合物、氧化物和硫化物等固态电解质）取代原来的可燃碳酸酯类有机溶剂，将是解决与电解液相关的电池安全问题的终极方案。除固态电解质外，开发安全的溶剂、添加剂和锂盐（如氟化电解质）等也有助于降低电解液的可燃性。高浓度电解液或“solvent-in-salt”电解液也可能有助于改善锂离子电池的安全性能。另外，我们建议未来的研究工作可以进一步聚焦于电解液/电极界面的修饰和调控。比如，对于正极，表面包覆或将二次颗粒形貌从多晶变为单晶可以减少正极与电解液的接触面积，从而抑制正极/电解液界面的放热反应；而负极界面调控关键在于提升负极SEI膜的热稳定性。通过表面包覆或人工SEI膜等方法有望构造稳定的SEI膜，提升电池热稳定性和自产热温度T1。但是，我们需要注意的是，所开发的新型材料不应仅在安全性上有优势，而是应当具有优异的综合性能，如耐久性、能量/功率密度和成本等。

 

3)采用智能材料和设计的“智能电池”。智能电池指的是采用了智能材料或者植入了智能组件的电池，可以在特定场景下自主响应，抑制潜在的热失控诱因或故障。电池热失控往往伴随着明显温升，因此，热响应材料作为可能的智能材料受到了广泛关注。热响应材料可以通过增加电池电阻、阻断离子运输通道或释放毒化试剂等途径来抑制热失控的发生。正温度系数材料（PTC）是其中一类热响应材料，可以直接与电极混合使用，或涂敷于在电极表面。此外，具有温敏特性的有机材料也可以作为热响应材料。具体的，热响应聚合物材料可用于在热失控发生时阻止离子运输，也研究者往电池内部植入了热响应有机材料构成的微球，可以在高温下发生熔化并覆盖在电极表面，成功阻断了离子输运通道。另外，还可以开发电池“毒化剂”，用于中和正极和负极的反应活性，有望减少热失控过程中释放的热量。但需要注意的是，毒化剂只有在电池失效的情况下才能释放，而在正常条件下应被封装在电池内部，不影响电池的基本性能。因此，毒化剂必须配合合适的壳体结构使用，以控制毒化剂的释放时刻，实现热失控抑制。在设计毒化剂时，应首先结合热失控时序图，确定毒化剂作用时刻，并在此基础上深入了解毒化剂的作用机理，包括对内短路、化学反应或燃烧等抑制效果。

 

自修复型智能隔膜可以用于抑制电池内部锂枝晶的生长。研究者在隔膜中嵌入了SiO₂纳米颗粒，使之与刺入隔膜的锂枝晶发生反应消耗锂枝晶。研究者还发明了三明治夹层结构的隔膜，可以对由枝晶生长引起的内短路进行检测。此外，往电池内部植入温度/电压/力等智能传感器也是智能电池的重点研究方向。智能嵌入传感器不仅有利于监测电池内部状态，而且可以为电池管理提供实时信号。例如，往电池内部植入参比电极可以方便地实时测量负极电势，监控析锂的发生，同时还可以基于负极电势调整充电电流，实现电池无析锂快速充电。

 

4）基于智能电池管理系统的安全监控。我们认为下一代BMS应当具备变革性的传感器、电池模型和数据处理方法。对于传感器，发展智能嵌入式传感器或芯片有助于实现实时故障诊断。如前文所述，多功能隔膜和参比电极是非常有前景的方案。未来研究应着力于改善嵌入式传感器与电池内部电化学系统的兼容性，延长传感器的使用寿命。在下一代BMS电池模型研究方面，研究者正在构建涵盖内部状态的电池降维机理模型，以实现电池内部状态的实时观测。可以预见的是，在智能嵌入式传感器和降维机理模型的帮助下，下一代BMS在锂离子电池的内部状态(包括故障信息)监控方面将更加智能。

 

在数据处理方法方面，人工智能算法可以通过大数据分析来预测潜在的安全事故。如今，大量电动汽车日常运行数据被上传到云端监控系统上，如何处理这些大量的数据，将是一个很大的挑战。结合云计算技术，采用基于机器学习的数据驱动建模方法有望实现大量电池汽车日常运行数据的处理和分析。文献[73]报道了一个成功的案例，他们使用机器学习的方法实现了电池寿命预测。在未来研究中，可以进一步发展基于云端大数据分析的车载电池系统故障诊断方法，包括远程诊断、热失控预警和主动管控策略等。基于云端数据分析的故障诊断与预警技术可以在早期阶段防止潜在热失控事故的发生，大大降低安全事故发生的可能性。

 

5）基于模型的电池系统安全设计。传统的电池系统安全设计过程往往需要开展大量安全测试，效率低下且成本极高。鉴于此，急需开发高精度电池失效仿真模型，用于开展电池系统安全设计，以降低设计开发成本，提升效率。高精度仿真模型还可以确定电池系统的安全包络线，为电池系统设计设定安全边界。目前而言，电池系统热失控模型已经可以用于指导单体和系统层面的安全设计，下一步研究工作应聚焦于1）提高模型精度；2）减少计算量。通过引入修正公式模拟排气、燃烧等化学反应过程，可以提升电池热失控模型的精度。另外，热失控模型参数的准确标定也是设计开发过程中必不可少的，需要重点关注。

 

理想情况下，电池系统安全设计应该可以同时在性能和安全性之间取得平衡。基于模型的迭代优化对实现这一目标至关重要。在设计过程中，应当首先建立相应的数学公式，准确模拟电池各方面的性能，以方便在设计过程中实现多目标同时优化。描述电池综合性能的模型一般被称为“多物理场-多尺度“模型，将多物理量联系起来的方程称为耦合方程。然而，多物理场-多尺度电池模型的应用仍面临若干挑战，具体包括：1）材料失效特性与单体安全性之间的定量关系尚不清楚。比如我们仍不清楚在电极界面修饰是如何影响锂离子电池热失控特性的；2）机-电-热滥用的耦合机理尚未清晰；3）如何平衡模型精度和计算效率的问题。

 

6）热管理系统热疏导综合设计。为了实现热失控蔓延防控，电池热管理系统安全设计中需要重点考虑高效散热设计，其核心在于通过合理的路径对电池系统内部的热量进行疏导。其中，最大的挑战在于电池热失控时的超高放热功率（可达超过10kW），及其引起的热失控电池和相邻电池间的巨大温度梯度。电池热管理系统首先需要进行隔热设计，以延缓热失控向相邻电池的蔓延速度。电池单体间的隔热材料还应满足低导热系数和高工作温度的要求。其次，热管理系统还需要对失效区域进行及时散热或冷却，以降低热失控电池的温度，防止热量在失效区域不断累积。然而，在实际电池热管理系统的设计开发过程中，热失控蔓延抑制所需的隔热设计与正常工况下所需的快速散热设计往往是难以调和的矛盾。我们希望开发智能热响应隔热材料来解决这一难题。智能热响应隔热材料在低温下内应具备高导热系数，以满足正常工况下的电池系统快速散热；在热失控发生时表现出低导热系数，以延缓系统内的热失控蔓延。相变材料可以吸收电池系统内多余的热量，有助于抑制热失控蔓延。为提升相变材料抑制热失控蔓延的效果，应当进一步研发具有高相变潜热和良好导热特性的相变材料，或者通过将相变材料和耐高温骨架结合，开发复合相变材料，使之可以在热失控的高温环境下正常工作。另外，电池热管理系统还可以在热失控蔓延时进行“主动防范”。主动防范往往需要配合额外的执行结构，在电池热失控发生时，通过外界指令或自发响应，加强系统冷却效率或进行喷淋等，以抑制热失控蔓延的发生。用冷却剂喷淋局部热失控区域可能是一个切实可行的主动防范策略。由于火灾的发生将使得电池系统的热失控危害变得完全不可控，我们需要更加注意消除电池系统起火自燃的可能性。综合上述的设计，热管理系统应该需要保证电池系统在至少40分钟内不发热失控蔓延，以给救护队抵达现场和被困乘客疏散留有足够的时间。最后，电池系统安全设计成本和热失控蔓延防控效果之间存在trade-off关系，仿真分析在平衡成本和防控效果方面具有独特的优势，应得到重视。

 

7）制定合理的测试方法来评估电池安全性能。为全面评估电池的安全性，测试标准/法规中应当制定合理的安全测试方法，再现电池单体、模组和系统在实际应用中可能的滥用工况，并通过强制的产品测试来提高电池产品的可靠性。目前，国际上的相关机构已经制定了一系列的锂离子电池安全测试标准和法规，但仍有一些问题需要进一步的研究。在电池单体层面，需要进一步研究可以准确电池内短路滥用安全性的测试方法；在模组层面，EVS-GTR和ISO工作组正在共同努力制定实车热失控蔓延防控方案的测试评价方法。

 

随着电池使用工况逐渐逼近其安全窗口极限，电化学滥用的风险随之增加，需要研究人员和标准制定者重点关注。我们首先需要充分了解各种锂离子电池的安全工作窗口，然后基于此设计合理的测试标准，来评估潜在的电化学滥用失效行为。对金属锂电池、硅基电池等新型电池体系，现有的测试流程也必须进行调整，以全面评估新体系电池的安全性能。另外，我们需要牢记的是，任何一款新开发的电池的安全性都需要通过测试标准/法规中所要求的一系列滥用测试来进行全面的评估，因为单一的滥用测试无法反映新体系电池安全失效的最坏情况。

 

此外，锂离子电池安全性评估测试过程中亟待解决的问题还包括：1）如何通过测试信号来定量判断热失控的发生，而非现有的依赖肉眼观测；2)如何提升热失控触发方法的重复性；3）电池针刺和过充滥用失效机制；4）不同触发方式下的热失控结果等效性；5）老化电池的安全性评价等。

 

不管怎么说，我们真诚地建议研究人员在开发新电池材料体系的过程中，也稍微关注一下其安全性能。人类在开发电池的过程中，不断地追求更高的比能量，更快的充放电速度以及更长的使用寿命，但是，安全性问题总归是具有“一票否决”的关键作用，总归是要重视的工作啊。如果通过本文，能够为读者进行电池安全设计提供哪怕一点点有启发性的思路，也算是完成了本文撰写的一点小小的愿望。我们相信，在不远的将来，世界各国的顶尖科学家们精诚合作，锂离子电池会有一个安全而光明的未来。（关于热失控状态、时序图的更多详细信息，请参考英文原文）

 

参考文献

Xuning Feng, et al. MitigatingThermal Runaway of Lithium-Ion Batteries. Joule. 2020.

DOI: 10.1016/j.joule.2020.02.010

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(20)30088-X#%20

 

 

作者简介

 

通讯作者-欧阳明高教授，清华大学车辆与运载学院教授，中国科学院院士，国际交通电动化期刊eTranspotation创刊主编，从“十一五”开始连续三个五年计划担任国家新能源汽车科技研发专项首席专家，2010年至今担任中美清洁能源联合研究中心清洁汽车联盟中方首席。欧阳教授长期从事汽车新型动力系统研究，提出了发动机电控高压柴油喷射新方法，发明了毫秒级燃油压力波精确调控技术；揭示了高比能量锂离子动力电池热失控诱发与蔓延新机制及抑制途径；发展了质子交换膜燃料电池系统非线性动态建模与状态辨识理论，建立了燃料电池/动力电池能量混合型动力系统设计与最优控制方法；研制出系列新装置与新系统并实现产业化应用，为我国汽车节能减排和新能源汽车发展做出了重要贡献。欧阳教授发表SCI收录论文200余篇，多次被列入中国和全球高被引学者榜，授权发明专利超过100项，曾获国家技术发明二等奖2项，及北京市科学技术一等奖、中国汽车工业技术发明一等奖、国际氢能与燃料电池联盟IPHE技术成就奖、何梁何利科学技术奖等。

 

 

第一作者-冯旭宁博士，清华大学欧阳明高院士新能源动力系统研究团队骨干成员，清华大学电池安全实验室主任，长期从事储能电池系统“热安全特性、建模与管理”方面的应用基础研究，为车用储能电池安全应用提供了可定量测试、可定量模拟、可准确防控的技术解决方案，是近年来电池安全领域具有国际影响力的青年专家。

 

课题组简介

清华大学电池安全实验室由欧阳明高教授自2009年发起建立。实验室拥有电池特性测试、热安全分析、电池模拟仿真全套仪器设备，研究内容包括动力电池材料热稳定性与高安全材料体系、电池热失控机理与基于模型的优化设计、热蔓延特性与系统热管理、基于大数据分析和机理模型的电池系统故障诊断与安全监控（新一代电池管理系统）、全生命周期安全性与充电控制，中长期重点研究内容还包括固态电解质与智能电池。