锂离子电池热失控研究综述与文献计量分析
摘要
近年来，随着电动汽车行业的大力发展，锂离子电池作为电动交通工具储存和转化电能的重要载体大量涌入市场，但在使用过程中存在过充放电、局部过热以及外部挤压碰撞等滥用情况，可能会导致其性能下降，甚至引发热失控等安全问题。为此，对当前中外锂离子电池热失控的研究进展进行了综述总结，并通过VOSviewer 可视化软件对发文量、期刊分布和关键词等进行分析。结果表明: 当前锂离子电池的热失控是限制其发展的关键因素，目前主要从电池正极材料改性、电解液中添加阻燃剂、电池热管理设计三方面来提升锂离子电池的安全性。
近年来，伴随着能源与环境的双重压力，中国新能源汽车产销量增长迅速［1-2］，据新能源汽车数据追踪显示，2018 年，中国新能源汽车产销总量分别为127 万辆和125. 6 万辆。截至2019 年，新能源汽车产销分别完成124. 2 万辆和120. 6 万辆［3］。2020 年上半年，新能源汽车的产销量有所下降，但是长期向好发展的态势没有变［4-5］。而动力电池作为电动交通工具储存和转化电能的重要载体［6］，如今成为科学领域的重要研究方向。目前市场上得到大规模商业化的二次电池主要有铅酸电池、镍电池、镍镉电池和锂离子电池［7］。相较于其他几款电池，锂离子电池尽管没有很长的研发过程，但它却因为高比能量、长寿命、对环境友好［8-10］、放电平稳、无记忆效应［11］等诸多优点而后来居上。随着锂离子电池的广泛应用，它带来的热失控问题也越来越突出。众所周知，高温会大大缩短电池寿命［12］。即使在低于80 ℃的环境下，锂离子电池也会发生退化［13］。大量研究表明，锂离子电池在充放电过程会产生大量热量并使自身温度升高，由于锂离子电池的自身材料特性，其最佳工作温度区间为20 ～ 40 ℃，单体电池间温度差应小于5 ℃，温度过高或过低都会影响其性能的发挥，甚至发生安全问题［14-16］。锂离子电池的安全性取决于多种因素，如电池的几何形状、材料设计［17-19］、工作温度、工作电压、充电/放电速率［20］、电池初始状态和老化效应［21-23］、滥用条件( 过热，过度充电/过放电，机械变形) 及冷却系统［24-28］等。在极端工作条件下，电池会遭受热失控，发生一系列放热反应触发电池内部短路，从而产生更多的热量并加快反应速度［29］。据不完全统计，2019 年前8 个月，中国由电动汽车引发的自燃事件高达40 余起［30］。表1 列举了2014—2020 年发生的部分动力汽车起火事件及原因分析［31］。锂离子电池热失控的诱因有很多种，大致可以分为三类: 机械滥用、电滥用和热滥用［32-33］。机械滥用指的是电池使用时受到碰撞、针 刺、挤压等外加力造成电池结构的破坏; 电滥用一般指电池短路、过充放电等，而热滥用则由于外部高温引起电池过热导致热失控的过程。3 种诱因相互关联，当出现机械滥用时，由于电池隔膜的破裂，触发了电池内部正负极直接接触短路，从而引发电滥用，此时，短路部位焦耳热等产热增加，热量积聚，使得电池温度急剧升高，发展为热滥用，进而触发电池内部一系列产热副反应，最终导致电池热失控［34-35］。综上所述，锂离子动力电池安全问题是限制当前电动汽车推广使用的关键因素。为最大程度地降低锂离子电池热失控带来的风险，目前中外已有大量研究团队针对不同滥用条件下的锂离子电池热失控问题进行了深入研究。从当前中外锂离子电池热失控研究现状出发，对现有的文献进行综述总结，并通过文献计量的方法分析了目前有关锂离子电池安全性问题的研究热点，旨在对未来锂离子电池安全性的优化提供参考。
1 锂离子电池热失控研究现状
热失控是由于电池材料的热分解而产生的。由于热失控而散发出的大量热量和有害气体会引起电池着火和爆炸［36］。电池受各种滥用条件的影响，即热( 过热) ，电( 过充电/过放电) 和机械( 碰撞/针 刺) 产生热失控状态［37］。当前锂离子电池热失控的研究主要以实验和模拟相结合的方式，针对锂离子电池3 种滥用条件下的热失控行为进行了大量的研究。下面针对不同滥用条件下锂离子电池的热失控行为进行阐述。
1. 1 机械滥用研究
由外加力引起电池发生破坏性变形和位移是机械滥用的典型特征。车辆碰撞带来的电池组挤压或刺入是机械滥用的典型条件［38-40］。Maleki 等［41］研究了针 刺引起的短路电流放电速度的变化。结果表明，70% 多的能量在60 s 内大量释放，从而导致温度显著上升。同时钉子的位置可能会影响穿透过程中热量释放带来的危害，较明显的是散热不充分的电极边缘发生穿透更加危险。Chen 等［42］通过实验分析了不同环境压力对不同负极和荷电状态( state of charge，SOC) 的18650型锂离子电池( LIBs) 的热失控和着火行为的影响，实验结果表明: 电池的总质量损失和总热量释放随着SOC 的升高而增加，随着SOC 每增加1%，处于高环境压力的电池的燃烧热量单位增长率也更高。实验结果可为低环境压力下LIBs 的安全性提供参考Zhao 等［43］对不同容量的电池和电池组进行了外部短路测试和钉子穿透测试。同时使用改进的热电耦合模型对短路电池的行为进行了仿真。结果表明，由于较小的电池内部电阻较高，因此外部短路的情况更糟，之后提出了一种修改后的电化学-热模型，该模型结合了钉子位置的额外热源，并成功地描述了电池的温度变化。李顶根等［44］建立了大容量三元锂离子电池的针 刺模型，为保证结果的准确性，在假定比热容、密度、导热系数不随温度变化的前提下，采用了“环状分区法”，以针 刺点为中心，增加半径依次向外划分区域，仿真结果表明越靠近针 刺点，电池温度越高;随着时间的推移，散热增加，不同区域的温差减小。此外，这里还对不同刺针半径下的产热率和温度进行了比较，结果显示: 刺针半径越小，内阻越大，热量越多。李宇等［45］基于针 刺热失控机理，搭建了圆柱形磷酸铁锂电池热失控平台，与以往单一实验不同，这里进行了6 组对比试验，分别观测了钨针 刺穿下电池电压和表面温度的变化情况，实验结果表明针 刺造成的电池破坏带有随机性。
1. 2 电滥用研究
Huang 等［46］通过实验的方法分析了具有相同容量和化学性质的棱柱形和袋状锂离子电池在过充电期间的内部故障机理和相关的外部特性，根据不同阶段电压和温度曲线，得出袋式电池具有更好的热行为特性和过充电耐受性，而棱柱形电池具有更好的热失控缓冲特性，较小的变形和较长的预警时间。这些结果对深入了解电池系统安全性和热管理设计提供了参考。孙延先等［47］在以往对单一电芯及材料的过充仿真的基础上，搭建了模组过充热扩散仿真模型，该模型利用了内阻法和内短路模型，分析了热失控过程中电芯温度及生热速率的变化，最后将仿真结果和测试结果进行比较，表现出较好的一致性，为后续深入研究电池包的热失控扩散特性提供了参考。崔志仙等［48］则从内部内短路触发机理出发，利用多物理场耦合软件COMSOL Multiphysics 构建了锂离子电池三维电化学-热耦合模型，模型采用一个五层电极单元作为模拟对象，分析了锂枝晶生长半径和中心距对电池内短路产热的影响，通过模拟得出随着枝晶数量的增多和生长半径的增加，产热功率、短路电流和最高温度都随之增加。马天翼等［49］以18650 型商品化的锂离子电池为研究对象，结合电化学测试和材料表征分析对电池进行了多层级分析，最后通过中子成像技术，揭示了轻度过放电积累对动力电池安全性的影响，为锂离子电池的热管理设计提供了参考。
1. 3 热滥用研究
Larsson 等［50］利用烤箱测试分析了18650 型电池的热失控，通过增加烤箱温度发现电池的热失控温度为220 ℃，但该测试仅研究了升高温度发生的热失控，没有研究电池在恒定温度下充放电过程中的热失控。Chen 等［51］借助有限元技术，模拟了一个50 Ah 钛酸锂过热电池对7 × 3 电池模块中周围电池的热效应，仿真结果表明，与过热电池距离最近且散热条件最差的电池首先发生分解反应，引起热失控，然后触发电池模块中的连锁反应，在某些情况下会导致整个电池着火或破裂。这证实了Spotnitz等［52］的推测单个电池的热失控可能导致整个电池模块热失控。Feng 等［53］通过EV-ARC( electric vehicle accelerating rate calorimeter) 测试了多个25 Ah 的方形电池，并进行了高温热滥用试验。实验首先对外部电池进行加热使其达到失控状态，进而传播到内部相邻电池，试验结果表明，相同型号的电池发生热失控的温度变化规律相似，但最外侧电池和内部电池的温差相差很大。该温度数据对于大型锂离子电池的热失控预警是有益的。张明轩等［54］继续对25 Ah 的大容量方壳三元锂电池进行了研究，为了保证实验的有效性，首先进行了HPPC ( hybridpulsepower characteristic) 实验，得到了在常温情况下，电池内阻、电压随SOC 的变化特性，随后进行了热箱实验，通过分析得到了热失控最高温度及电压突降的温度，之后利用实验得到的数据建立了描述针 刺过程的集总参数模型，仿真结果与实验情况有较好的一致性。姚银花［55］在前人的基础上，以集总参数模型为基础，利用COMSOL Multiphysic 软件建立了三元锂电池的热滥用模型和电-热耦合模型，分别模拟了炉箱加热试验和过充电实验，仿真分析该锂离子电池的热失控行为。该模型还考虑了散热条件、材料稳定以及对流换热系数的影响。但集总参数模型并未考虑锂离子电池三维分层的实际情况。黄文才等［56］通过COMSOL Multiphysic 软件对三元正极材料单体锂离子电池建立了三维分层热失控模型，模拟了4 种高温工况下锂离子电池的热失控变化。根据模拟结果，分析了不同传热系数以及电池初始温度对电池热行为的影响。但该模型是对电池整体进行加热，未考虑不同部位加热的热失控情况。Zhao 等［57］建立了结合五个副反应的热模型来模拟锂离子电池的热失控触发过程，分析了在不同散热条件下局部加热负极集流体表面对隔膜层高温区域分布变化的影响。结果表明，当电池的散热系数达到10 W/( m2·K) 时，可以有效地控制电池热失控的发生。这一结论对于纯电动汽车电池组热管理系统的优化设计具有重要的指导意义。综上所述，当前中外学者已从模型和实验的角度对3 种诱因进行了大量研究，但触发方式还集中在单体电池针 刺、烤箱、内短路或过充放电等的研究，而在实际应用过程中，不排除多种因素同时引发热失控，仅仅研究单一触发方式有一定的局限性。
2 文献计量分析
文献计量分析法作为收集期刊情报的重要工具，已被众多学者用来研究学科领域的热点问题。而VOSviewer 相较于以往文献综述的方式表达研究内容之间的协作关系更为清晰、直观，近年来得以广泛应用［58-60］。将万方、知网和Web of Science 作为检索数据库，为保证结果的准确性，采用中英文检索结果对比分析的方式。中文纳入的文献类型包括: 期刊论文、学位论文和会议论文，检索标题为锂离子电池热失控( Date: 所有年) 。英文选择Web of Science的子领域数据库科学引文索引( SCI) 和社会科学引文索引( SSCI) 作为数据源，检索该领域中最具影响力的科学文献，检索标题为“TS = ( lithium-ionbattery AND thermal runaway) ”( Date: 所有年) ，记录内容为“全记录与引用的参考文献”，文件格式为制表符分隔( win，UTF-8) ，检索日期为2020 年12 月15 日。
2. 1 文献发表数量分析
通过统计所有年份的发文量发现，英文文献共746 篇，中文文献共626 篇。图1 列出了2010—2020 年锂离子电池热失控相关的中英文文献量，其中，英文704 篇，中文596 篇。由图1 可知，从2011年到2020 年12 月中旬，关于锂离子电池热失控研究的文献呈整体上升的趋势。
2. 2 期刊分布情况
表2 为锂离子电池热失控相关的中英文发文量排名前十的期刊，结果表明: 锂离子电池热失控方向发文量较多的中文期刊有电源技术、储能科学与技术和消防科学与技术等期刊，占出版总数的1 /2以上。出版量大于50 篇的英文期刊有Journal ofPower Sources、Journal of the Electrochemical Society，此外Applied Energy 作为该领域比较有影响力的期刊，影响因子高达8. 848。
2. 3 合作网络分析
在合作网络中，节点代表国家/机构/作者，连接线表示它们之间的协作关系。在每个研究领域都有来自世界各地的不同机构和科研人员，通过合作网络可视化分析，可以了解到锂离子电池热失控方向的研究团队。图2 分别为国家、机构、作者的协作网络图。其中图2( a) 显示产出最大的两个国家分别是中国和美国，占全部发文量的90% 以上。由图2( b) 可知，中国作为锂离子电池热失控研究领域的最大国，主要有两大研究机构，分别是中国科学技术大学和清华大学。通过国家、机构、作者三者之间的协作关系可以看出，中外越来越多的机构和科研人员正积极加入锂离子电池热失控的研究队伍当中，并试图建立合作关系，为锂离子电池的安全推广贡献一份力量。
关键词共现分析是一种通过统计出现频率为未来趋势提供有用信息的方法。图3 为关键词可视化网络图。根据VOSviewer 的可视化分析结果显示，共有90 个关键词，11 个集群，587 个连接点。以热失控为主节点的有锂离子电池、热管理、安全性和稳定性等的研究，以锂离子电池为主节点的有针 刺、内短路、过充放电等。表3 汇总了11 个集群的研究主题，集群1 作为最大的节点受到广泛关注，主要基于锂离子电池热失控及安全研究。集群2 着重强调当前电池存在的热管理方式，主要包括空气冷却、液体冷却、相变材料冷却和热管冷却，为了增强换热效果，主动式冷却也逐渐转为更经济高效的被动式冷却: 如增加翅片、嵌入泡沫金属、包覆相变材料等，根据电池的温度分布情况( 集群6) ，寻求最佳的冷却方式。集群3、集群4、集群5 均为热失控的诱因分析，包括电滥用、热滥用和机械滥用，3 种诱因相互关联，引起电池内部热量积聚、温度升高，进而触发电池内部一系列产热副反应，最终导致电池热失控。
表4 为锂离子电池热失控发文量中出现频率最高的15 个关键词，热失控毫无疑问成为焦点话题。从表4 中可以看出，诱发锂离子电池热失控的因素主要有两点: 一是自身高比能量的优势引起产热量的增加; 二是外部过充、针 刺等导致的SEI 膜( solidelectrolyte interface) 分解和正负极材料与电解液反应。为了提高锂离子电池的安全性，预防热失控的发生，当前的研究主要集中在: 一是从源头出发，改善正负极材料自身的稳定性，如对正极材料进行改性，通过包覆和掺杂提高材料的稳定性; 二是选用安全性高的电解液，起到阻燃的效果; 三是从外部出发，选用安全高效的热管理系统，抑制锂离子电池的温升，实时监测充放电过程中的温升和电压变化。锂离子电池热失控是制约锂离子电池进一步发展的关键因素。通过梳理当前中外锂离子电池热失控的相关文献发现，锂离子电池滥用研究已经取得了很大进展。但随着锂离子电池的推广应用，动力电池起火现象仍此起彼伏，因此，提高其安全性对于电动汽车的发展变得尤为紧迫。未来在以下方面还有很大的研究空间。
( 1) 材料改良研究。热失控的本质主要在于正负极材料以及电解质的稳定性。未来还需要在正极材料包覆、改性，固体电解质与电极的相容性以及提高电芯的导热方面进行更高的突破。
( 2) 被动防御及预警算法研究。预防热失控最有效的策略是将它抑制在萌芽中，即通过被动防御避免滥用条件或者在发生滥用时及时发出信号。如加强电池组的结构，以防止因为成本而可能造成的机械滥用; 安装保险丝等，减少外部短路和过充放电的可能性; 优化热管理系统及时散热，以免发生过热; 配备BMS( battery management system) 系统监视电池组中的所有电池，并在考虑电压和温度的情况下在安全的工作范围内调节每个电池。
( 3) 推迟热失控传播速度研究。现实中，热失控的发生速度非常快，短时间内能达到毁灭性的伤害。因此，必须推迟或抑制热失控的危害以赢得足够的时间让乘客在事故发生后从电动汽车中逃脱。开发更为有效的抑制电池温升的方法将是未来的研究难点。
( 4) 多种触发方式共存研究。当前单体电池的热滥用和单一条件触发的研究已较为成型。而实际应用中，多以模组的形式出现，未来可考虑不同滥用条件下模组热失控的传播特性以及多种触发条件并存的热滥用模型。
( 5) 内部参数监测研究。由于电池自身的封闭性，所以内部参数变化不易获得，但在热失控传播过程中仅仅通过外部参数的监测，难以准确的预测发展状态。未来需要从热失控发生过程中内部锂枝晶生长形态变化、产热机理方面做更深入的研究。
( 6) 主动冷却策略的优化研究。通过文献计量分析可知，传统的主动式冷却已经不足以满足电池散热的需求，相变材料冷却以及复合式冷却策略已初见成效。被动式冷却策略如增加翅片、嵌入泡沫金属、包覆相变材料等是未来提高锂离子电池应用安全性的重点。
总结了近年来中外锂离子电池热失控的研究重点，并通过VOSviewer 可视化软件对发文量、期刊分布和关键词等进行了分析，得到以下结论。
( 1) 锂离子电池热失控的研究大多通过实验和模拟的方法，在实验方面，鉴于实验的随机性，不同程度的滥用结果差别较大，重复实验次数或增加对比试验的方法，有助于进一步提高结果的准确性。
( 2) 通过VOSviewer 可视化软件对发文量、期刊分布和关键词等进行分析，得出结论: 锂离子电池热失控方向发文量较多的期刊有电源技术、储能科学与技术、Journal of Power Sources 和Journal of theElectrochemical Society。中国是锂离子电池热失控研究领域最有影响力的国家，主要包括两大研究机构，分别是以王青松教授为首的中国科学技术大学和以欧阳明高教授为首的清华大学。
( 3) 影响锂离子电池安全性的因素多种多样，目前主要从电池正极材料改性、电解液中添加阻燃剂、电池热管理设计三方面来提升锂离子电池的安全性。
( 4) 采用的文献计量分析软件VOSviewer 主要针对科学引文索引( SCI) 和社会科学引文索引( SSCI) ，对于万方、知网等中文文献以及除英语以外的其他文献缺乏代表性。并且利用此软件筛选的关键词较为广泛，如果需要更精准的剖析某一热点，检索范围要更聚焦
