在剛剛過去的9月份，我們紛紛被一款手機刷屏了，當然不是iPhone7，而是另外一款三星手機——Note7。Note7并不是因為其強勁的性能吸引了我們的眼球，而是因為其在國內外多起電池起火爆炸事件，也因為三星區別對待國內和國外用戶的態度，目前三星已經停止了在全球范圍內Note7的生產和銷售，開啟了召回工作。

對于一款電子設備再強勁的性能也無法遮掩其安全性方面存在的問題，今天我們就來一起研究一下鋰離子電池熱失控的原因和機理。

對于鋰離子電池，熱失控是最嚴重的安全事故，它會引起鋰離子電池起火甚至爆炸，直接威脅用戶的安全。鋰離子電池發生熱失控主要是由于內部產熱遠高于散熱速率，在鋰離子電池的內部積攢了大量的熱量，從而引起了連鎖反應，導致電池起火和爆炸。

引發熱失控的因素很多，總的來說分為兩類，內部因素和外部因素。內部因素主要是：電池生產缺陷導致內短路;電池使用不當，導致內部產生鋰枝晶引發正負極短路。外部因素主要是：擠壓和針刺等外部因素導致鋰離子電池發生短路;電池外部短路造成電池內部熱量累積過快;外部溫度過高導致SEI膜和正極材料等發生分解。

美國德克薩斯大學阿靈頓分校的Krishna Shah對鋰離子電池熱失控現象進行了分析，并建立了一套鋰離子電池熱失控的預測機制，對于鋰離子電池的安全設計具有重要的參考意義。相關研究顯示，鋰離子電池熱失控過程主要由一下反應組成：SEI膜分解，電解液和粘結劑發生反應，電解液和正極活性物質發生分解。

影響鋰離子電池熱失控的因素可以分為兩個，一個是電池內部的產熱速率，另外一個是鋰離子電池的散熱速率。傳統的熱分析工具，一般假設鋰離子電池的產熱在整個體積內是均勻的，因此這些工具分析認為熱失控與電池的熱導率無關，這與鋰離子電池在實際中的情況是不同的，因此預測結果也是不準確的。研究顯示，即使在26650電池內部也存在這很大的熱梯度，因此傳統的方法和工具無法來準確預測電池內部和外部的熱狀態。

為了解決上述問題，Krishna Shah在傳統的鋰電熱分析模型上加入了熱導率參數，從而產生了一個無量綱參數——熱失控數(TRN)。首先Krishna Shah建立了一個電池溫度與產熱和散熱的之間的等式關系，如下所示

對公式之中的產熱函數Q(T)在溫度為T0處進行泰勒展開，忽略高階項可得到如下公式

然后該公式需要經過復雜的數學求解過程，小編實在看不懂就不給大家介紹了，讓我們直接看結果吧。最后推導獲得如下結果

在整個操作范圍內，都必須滿足上述公式才能保證不發生熱失控。該公式結合了電池內部熱傳遞kr，電池表面散熱μ1，電池產熱速率參數β以及電池半徑等參數。而電池的產熱速率參數β和電池散熱以及熱導率系數是控制鋰離子電池熱失控的關鍵參數，通過增大β值，TRN值也響應增大，當TRN>1時，電池就會發生熱失控，而TRN<1是電池則不會發生熱失控，需要注意的是，β并不是一個固定的值，而是隨著溫度的升高而不斷增大，因此TRN也會隨之增大。

電池的散熱主要由兩步構成，電池內部的熱傳導和電池外部的熱對流，因此在β一定的前提下，就需要調整電池的熱導率kr和表面散熱參數μ1來保證TRN<1，從而保證電池的安全性。例如當β=6000 W/m3K，kr和μ1的安全范圍如上圖所示。

通過Krishna Shah的工作，在電池的安全設計中我們可以利用TRN公式來計算鋰離子電池的熱安全系數，β值和kr值可以通過相應的實驗就行測量，根據不同材料的β值和kr值，可以對電池的R值和表面散熱μ1進行調整，保證TRN<1，確保鋰離子電池的安全性。

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