在剛剛過去的9月份，我們紛紛被一款手機刷屏了，當(dāng)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(nèi)外多起電池起火爆炸事件，也因為三星區(qū)別對待國內(nèi)和國外用戶的態(tài)度，目前三星已經(jīng)停止了在全球范圍內(nèi)Note7的生產(chǎn)和銷售，開啟了召回工作。

對于一款電子設(shè)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?zé)崾Э氐脑蚝蜋C理。

對于鋰離子電池，熱失控是最嚴(yán)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(fā)生熱失控主要是由于內(nèi)部產(chǎn)熱遠(yuǎn)高于散熱速率，在鋰離子電池的內(nèi)部積攢了大量的熱量，從而引起了連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致電池起火和爆炸。

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

美國德克薩斯大學(xué)阿靈頓分校的Krishna Shah對鋰離子電池?zé)崾Э噩F(xiàn)象進(jìn)行了分析，并建立了一套鋰離子電池?zé)崾Э氐念A(yù)測機制，對于鋰離子電池的安全設(shè)計具有重要的參考意義。相關(guān)研究顯示，鋰離子電池?zé)崾Э剡^程主要由一下反應(yīng)組成：SEI膜分解，電解液和粘結(jié)劑發(fā)生反應(yīng)，電解液和正極活性物質(zhì)發(fā)生分解。

影響鋰離子電池?zé)崾Э氐囊蛩乜梢苑譃閮蓚€，一個是電池內(nèi)部的產(chǎn)熱速率，另外一個是鋰離子電池的散熱速率。傳統(tǒng)的熱分析工具，一般假設(shè)鋰離子電池的產(chǎn)熱在整個體積內(nèi)是均勻的，因此這些工具分析認(rèn)為熱失控與電池的熱導(dǎo)率無關(guān)，這與鋰離子電池在實際中的情況是不同的，因此預(yù)測結(jié)果也是不準(zhǔn)確的。研究顯示，即使在26650電池內(nèi)部也存在這很大的熱梯度，因此傳統(tǒng)的方法和工具無法來準(zhǔn)確預(yù)測電池內(nèi)部和外部的熱狀態(tài)。

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

對公式之中的產(chǎn)熱函數(shù)Q(T)在溫度為T0處進(jìn)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(jīng)過復(fù)雜的數(shù)學(xué)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(jié)果吧。最后推導(dǎo)獲得如下結(jié)果

在整個操作范圍內(nèi)，都必須滿足上述公式才能保證不發(fā)生熱失控。該公式結(jié)合了電池內(nèi)部熱傳遞kr，電池表面散熱μ1，電池產(chǎn)熱速率參數(shù)β以及電池半徑等參數(shù)。而電池的產(chǎn)熱速率參數(shù)β和電池散熱以及熱導(dǎo)率系數(shù)是控制鋰離子電池?zé)崾Э氐年P(guān)鍵參數(shù)，通過增大β值，TRN值也響應(yīng)增大，當(dāng)TRN>1時，電池就會發(fā)生熱失控，而TRN<1是電池則不會發(fā)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(gòu)成，電池內(nèi)部的熱傳導(dǎo)和電池外部的熱對流，因此在β一定的前提下，就需要調(diào)整電池的熱導(dǎo)率kr和表面散熱參數(shù)μ1來保證TRN<1，從而保證電池的安全性。例如當(dāng)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(shè)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(shù)，β值和kr值可以通過相應(yīng)的實驗就行測量，根據(jù)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(jìn)行調(diào)整，保證TRN<1，確保鋰離子電池的安全性。

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