刀片电池内部热失控传播机理
刀片电池（Blade Battery）是一种新型的电池设计，它最初是由比亚迪（BYD）开发的一种锂离子电池。这种电池的设计灵感来源于刀片的形状，其特点是电池单元非常薄且长，类似于刀片，因此得名。刀片电池的设计旨在提高电池系统的能量密度和安全性，同时简化电池包的组装过程。刀片电池的主要特点包括：
安全性好：刀片电池采用了磷酸铁锂（LiFePO4）作为正极材料，这种材料在热稳定性方面表现较好，有助于提高电池的安全性。
简化组装：刀片电池长条形，可以直接组装成电池包，减少电池组的横梁和其他部件，模块化设计使得电池包的组装更加简便，减少了生产过程中的复杂性和成本。
散热性能：刀片电池的扁平形状有助于改善散热，因为它们可以更有效地与冷却系统接触，从而有助于防止电池过热。
空间利用率：刀片电池可以更紧密地排列在电池包内，提高了空间利用率。
具体而言，刀片电池又区分为长刀片电池和短刀片电池，两者主要的差别就是电池长度不同，长刀片电池一般长度大于900mm，短刀片电池一般长度小于600mm。不管哪一种电池，我们知道，热失控（Thermal Runaway，简称TR）是电池安全的一大隐患，一旦发生，可能导致电池温度急剧升高，甚至引发火灾或爆炸。而热失控通常从电池的一个局部点开始，然后迅速蔓延至整个电池。根据观察，TR反应通常起源于达到临界温度的局部区域，然后传播到整个电池。电池内部TR传播的潜在机制包括：（1）放热反应从温度超过阈值的局部区域开始；（2）由于放热反应产生的大量热量，起始点的温度急剧上升；（3）由起始点向相邻区域的热传递，这是由大的温度梯度驱动。这种传播趋势直到活性材料完全消耗才停止。
对于长薄型的刀片电池，内部热失控的传播又是一个怎样的过程呢？清华大学冯旭宁等人研究了刀片电池内部热失控的传播机理。他们采用长宽厚分别为573mm × 117 mm × 21 mm的短刀片电池（详细电池参数如表1所示），在电池长度方向布置热电偶监测温度（图1），在电池一个点针 刺诱发局部热失控，然后通过电池温度监测研究电池热失控传播过程。
图1 电池热电偶布置和针 刺诱发热失控过程
首先，作者引入了一个概念，即热失控前沿（TRF）。如图2所示，对于经历TR的长条形刀片电池，可以观察到两个区域：一个是故障区，另一个是正常区。故障区指的是放热反应已经完成的区域，而正常区指的是没有发生TR的区域。显然，存在一个边界将TR和正常区分隔开。这个边界被认为是TRF，类似于经典燃烧理论中的火焰前沿。TRF向正常区移动，TRF经过后，正常区转变为TR区。因此，TRF具有移动速度，这里称为“TRF速度”。TRF速度与电芯的热物理性质相关，并受TR的热释放率影响。
图2 刀片电池热失控传播机理示意图
图3展示了在针 刺穿透电池的TR传播过程。蓝色实线表示由电池前表面上的热电偶记录的温度曲线，而橙色实线表示由连接到后表面的热电偶记录的温度曲线。电压开始下降时被认为TR开始。TR从穿透点传播到整个电池，这导致热电偶记录的温度曲线依次增加。根据大量LFP电池的热失控临界温度统计结果，使用200 °C的温度记录来指示局部TR。然后，根据这些数据选取平均值。当最终温度曲线达到200 °C时，内部TR传播结束。
图3 电池热失控温度演变曲线
刀片电池内部热失控传播过程可以分为三个阶段（图4）：
1.初始阶段（Stage I）：电池内部的电解液在高温下开始蒸发，产生气体。这些气体在电池内部形成压力，导致电解液蒸汽在电池内部传播，将热量传递给正常区域，使电池温度逐渐升高至约100°C。
2.加速阶段（Stage II）：随着温度的进一步升高，电池内部的热失控区域开始向正常区域传递热量。这一阶段，热失控的传播速度加快，电池内部的气体扩散和固体热传导共同作用，推动热失控的蔓延。
3.剧烈阶段（Stage III）：当电池温度达到临界点时，热失控反应剧烈进行，电池内部温度急剧上升，最终可能导致电池损坏。
图4 电池热失控传播过程
那么，是什么因素影响了热失控的传播速度呢？研究发现，电解液的参与、气体扩散以及电池内部的热物理特性都是关键因素。电解液在热失控初期起到了预热作用，而气体扩散则在后期加速了热失控的传播。此外，电池的热导率和热生成速率也与热失控传播速度密切相关。
为了预防热失控，作者提出了一些策略：
·增加安全阀数量：在电池两端设置安全阀，可以更有效地释放高温气体，减少气体在电池内部的积聚，从而降低热失控的风险。
·扩大安全阀面积：增大安全阀的开口面积，可以减少气体在电池内部的流速，降低热失控时的热传递效率。
·优化电解液设计：减少电池内部电解液的量或设计快速排出电解液的机制，可以降低热失控时的热量释放。
通过这些措施，我们可以在一定程度上控制热失控的传播，保障电动汽车的安全运行。然而，热失控的预防和控制仍然是一个复杂且持续的研究领域，需要不断的技术创新和实践验证。总之，刀片电池内部热失控的传播是一个涉及多种物理过程的复杂现象。通过深入理解这些机制，我们可以更好地设计和优化电池结构，提高电动汽车的安全性。
参考文献：
[1]Zhang, F., Feng, X., Xu, C., Jiang, F., & Ouyang, M. Thermal runaway front in failure propagation of long-shape lithium-ion battery. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2022，182, 121928.
[2] Xuning Feng, Fangshu Zhang, Wensheng Huang, Yong Peng, Chengshan Xu, Minggao Ouyang, Mechanism of internal thermal runaway propagation in blade batteries, Journal of Energy Chemistry, 2024, 89, 184-194.
