锂离子电池热失控演化及射流火耦合共轭传热CFD模型

      热失控(TR)是锂离子电池(LIB)的主要安全问题。电池燃烧释放的热量以及电池内部产生的热量很容易加热相邻的电池，导致TR蔓延到相邻的电池，进而引发整个LIB模块的失效。为了减轻LIB模块中的TR蔓延以及安全设计，需要精确的模型来模拟电池之间的热传递。热传递主要存在三种基本形式：热传导、热辐射和热对流。当前文献中虽然提出了几种LIB的TR模型来研究温度和电压的演变，但缺少火焰对流和辐射对TR传递影响的研究，并未解决排气和火焰喷射的问题。此外，以前的模型也未能可靠地预测单体电池TR及喷射燃烧期间表面和周围流体温度的实际分布与演变。基于此，本文提出了一种基于耦合流固传热、TR演化子模型、内部压力、排气和燃烧过程中的流体动力学的新模型，可以准确捕捉电池温度和内部压力的演变以及TR过程中的排气/燃烧行为。

在热失控过程中，电池的温度升高伴随着内部压力的演变。在高温下电池内部会发生一系列电化学反应，这些反应伴随着放热并且释放很多气体，导致温度持续升高和压力积累。当内部压力达到排气阀的设计压力时，排气阀就会打开进行第一次排气。随着温度的持续升高，一旦反应产生的热量超过了可以消散的热量，上述反应就会导致TR以及排气阀的第二次喷射。电解液蒸汽和生成气体的可燃气体混合物可能会被喷射出的热材料（如熔化的活性材料）点燃，最终形成喷射火。热滥用下NCA电池的排气、燃烧和热失控机理示意图如图1所示。

通过分析热滥用下NCA电池的排气、燃烧和TR特性，开发了一个数值模型，并在OpenFOAM中实现。TR模型的流程图如图2所示，包括几个步骤：

（1）创建几何体和网格，并定义初始条件；

（2） 计算转化率和反应热的分数，求解热失控子模型中描述的电池区能量方程；（3）求解内部压力和排气模型，并计算压力和排气子模型中讨论的相关动力学参数；

（4）将计算出的动力学参数作为动态边界条件，耦合电池区和空气区；

（5）求解质量守恒和能量守恒方程；

（6）重复上述步骤，直到设定的计算结束时间；

（7）检查预测结果是否与测量结果一致。

用于测试的电池为圆柱形18650锂电池，容量为3.4 Ah，充电电压为4.2 V，标称电压为3.6 V。正极材料为LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂，负极材料为石墨。电解液由溶解在有机溶剂中的LiPF₆组成。使用新威（Neware）台架在2.5–4.2 V范围内以0.1 C的倍率对电池进行三次预循环，然后进行恒流充电，以达到75%SOC的荷电量。如图3所示，电池固定在一个特别设计的金属夹具中。采用聚酰亚胺薄膜加热片，其功率和尺寸分别为32.5W和30mm×62.5mm。使用四个响应时间为0.5 s、精度为±1.0°C的0.5 mm K型热电偶获得温度数据。一个标记为TC#1的热电偶连接在远离加热片的电池表面用于测量LIB电池表面的温度。将三个分别标记为TC#2、TC#3和TC#4的热电偶放置在电池排气阀上方5cm、10cm和15cm处，用于测量排气过程中的流动温度和不同高度的火焰温度。测试期间测量的数据由计算机通过DAQ板记录。将一台每秒50帧的高清摄像机放置在电池前方约0.5米处，以捕捉TR期间喷射火的演变。在整个实验过程中，电池在露天加热，一旦TR发生，加热器电源立即切断。

在上述实验条件下，在OpenFOAM中建立了二维数值模型。计算几何和网格的示意图如图4所示。计算区域分为三个区域，分别是空气区、加热片区和电池区，总尺寸为 200 mm × 500 mm。空气区被模拟为最初充满79.05%氮气和20.95%氧气的流体。将电池区简化为均匀固体结构，加热片区由具有恒定热源的固体区构成，并连接到电池区的两侧，高度为62.5 mm，厚度为0.5 mm。整个区域的初始温度设定为26.85°C。

图5对比了实验(a)和仿真(b)之间电池在热滥用下的整体演变。电池的整个热滥用过程可分为三个阶段，分别是初始温度升高、热失控和降温过程。三个阶段的仿真结果都能很好的对应实验结果，验证了该模型在热滥用下能够模拟LIB从温升到排气到燃烧的完整过程。

分析图6和图7中的数据可以发现当排气阀打开时，气体喷射会导致电池上方的空气温度突然升高。随着电池的SOC增加，会缩短热失控的开始时间，并导致不同高度的最高火焰温度升高，也进一步验证了该模型在关键热参数的预测中具有合理的准确性。

电池内部压力的动态变化以及不同SOC下电池的平均温度曲线图如图8所示。预测的电池内部压力突出了两个峰值的存在，第一个峰值出现在排气阀打开时，第二个峰值出现在TR开始时。电池在第二阶段时的流速和马赫数变化曲线图如图13所示。结合图9的结果可以发现第二次排气时，当SOC为25%时，电池内部压力和气流速度分别为1.63×10⁵ Pa和148.1 m s^-1；当SOC为50%时，峰值分别为3.01×10⁵ Pa和178.3 m s^-1；当SOC为75%时，峰值分别为4.03×105 Pa和178.3 m s^-1。这表明在热失控期间更高的SOC会导致更剧烈的喷射。

75% SOC下电池的实验和模拟之间射流的时间演变对比以及不同SOC之间的温度场对比如图10所示。仿真显示了喷射火焰的时间演变，它们之间火焰演化的相似性是显而易见的，但由于可燃气体浓度较低，电池在25%SOC下未观察到明显的火焰。图11(a)和(b)分别展示了不同SOC下电池的火焰高度和热释放速率的瞬态变化。25%SOC、50%SOC和75%SOC的火焰峰值高度分别为18.3 mm、123.5 mm和273.6 mm，峰值热释放速率分别为0.16 kW、0.49 kW和1.24 kW，结果表明SOC对LIBs的射流燃烧特性有显着影响，火焰峰值高度和峰值热释放速率随着SOC的增加均呈现增长趋势。

以OpenFOAM为框架，开发了基于耦合传热的热失控模拟数值模型。该模型不仅预测了电池在热滥用情况下的化学反应和射流动力学，同时还对锂电池热失控后的气体流动和燃烧反应进行了数值求解。开发的模型可很好地捕捉到了热失控的开始时间。三个选定位置的电池表面及空气温度的预测值与测量值也具有很好的一致性，最大差异在30%以内。经验证的模型还被用于研究（State Of Charge）SOC对(Thermal Runaway)TR演变和后续射流的影响。新开发的模型通过结合热分解反应、压力建立和喷发机理以及燃烧过程，对热失控的建模工作进行了扩展。该模型代表了预测TR传播的第一步，考虑了喷射火焰的影响以及LIB单体或模组中的不同传热模式。在未来的工作中，将考虑颗粒物喷射和辐射热反馈对喷射火焰的影响，并将仿真延伸到更高SOC下电池的爆炸行为。