基于液体热管理的314 Ah锂离子电池在不同外部加热功率下的热 runaway及其预防
热 runaway是锂离子电池在使用过程中一个重要的问题，尤其是大容量电池。目前的研究主要集中在早期预警和灭火。在早期预警和灭火之间缺乏紧急应对措施。本研究探讨了在不同加热功率下314 Ah LFP电池的热 runaway演变，并分析了液冷热管理系统（LCTMS）在热 runaway（TR）抑制中的紧急应对措施功能。TR由不同的加热功率外部加热触发。其行为和参数基于自制的实验装置进行检测。使用具有不同参数的LCTMS来研究其在TR抑制中的功能。结果表明，热 runaway在大容量电池中的两层凝胶之间传播。 jelly roll 1#的放热副反应比jelly roll 2#更剧烈。电池中的热失控传播速度随着加热功率的增加而降低，但整个电池的热失控速度更快。LCTMS的热失控抑制效果可以分为三种：热平衡（成功抑制）、安全阀打开（半成功）和热失控（未能抑制）。当LCTMS的散热能力高于401 W（5 °C-1.5 L/min）时，本研究中在300–500 W的外部加热下，314 Ah电池可以防止热失控。当加热功率较低（300 W）时，LCTMS可以在5 °C–25 °C的温度范围和0.5 L/min-1.5 L/min的流量范围内防止热失控。如果抑制了剧烈的阴极分解，就可以防止热失控。本研究结果提供了一种在早期预警后的TR抑制新方法，这对锂离子电池的安全控制非常重要。
全球变暖和温室气体排放的加剧使得清洁能源替代化石燃料的全球需求更加紧迫 [1], [2]。近年来，随着中国积极推广其“双碳”战略目标，新能源技术和电化学储能产业经历了快速发展。以锂离子电池（LIBs）为主的电化学储能系统具有高能量密度、快速响应速度、优越的转换效率和灵活的布局，成为构建以新能源为主导的新电力系统的关键组成部分 [3]。磷酸铁锂（LiFePO) 电池表现出比镍-锰-钴（NMC）氧化物电池更高的热稳定性，因为正极材料更稳定 [4], [5]。研究表明，与NMC电池相比，LiFePO4 电池具有更高的热失控（TR）温度，并且需要更高的TR触发能量 [6]。由于其高安全性和长循环寿命，LiFePO4电池在电化学储能应用市场中占据主导地位。然而，电化学储能站使用大容量电池且数量众多，存在显著的火灾负荷。热 runaway（TR）的危险会被极大地放大。单个电池的TR甚至可以传播到整个储能单元。涉及锂离子电池（LIBs）的安全事件不仅造成了巨大的经济损失，还对人员安全构成了严重威胁。因此，研究预防LIBs TR的措施是电池安全应用中的一个关键课题。
目前，关于TR的机制和触发因素有广泛的研究[7], [8], [9], [10], [11], [12]。通过加速速率热分析（ARC）和差示扫描量热法（DSC）测试，发现电池TR的核心过程是电池内的一系列不受控制的放热副反应[13]。LIB TR通常由严重的滥用条件引发，包括机械滥用、热滥用和电滥用[7], [14], [15], [16]。在滥用条件下，电池温度因热积累而上升。一旦电池内活性材料的反应达到临界温度，就会发生诸如固体电解质界面（SEI）分解、阳极-电解质反应、阴极-电解质反应、粘结剂分解等放热副反应。电解质分解按顺序发生，产生大量热量，最终引发TR [17], [18], [19]。
Chen 等人 [20] 研究了 23 Ah LiFePO4 电池的 TR 行为。他们的结果表明，阳极与电解液之间的反应引发了自加热，而不是 SEI 分解和再生反应。Song 等人 [21] 对 40 Ah LiFePO4 电池在不同加热功率下的 TR 行为进行了全面分析。他们发现加热功率与 TR 触发时间之间存在反比关系。An 等人 [22] 调查了 LiFePO4 电池在低温环境中的 TR 特点。结果显示，环境温度对 TR 期间电池的触发时间的影响比电池的最大温度更大。Wang 等人 [23] 分析了 SOC 对 LiFePO4 通过建立TR危险评估模型。结果表明，较高的SOC导致了更大的TR危险。Liu等人[24]研究了不同SOC下的电池热失控和燃烧。电池的火灾风险被计算和分析。他们的结果表明，电池的火灾风险随着SOC的降低而降低。Liu等人[25]研究了由各种方法引发的TR的特性。研究表明，外部加热比其他滥用条件更能确保实验的可重复性，并减少其他因素的干扰。总体而言，关于LiFePO4 电池TR机制的研究主要集中在小尺寸电池上，TR过程中缺乏热生成分析。
具有有效散热的热管理系统的策略是预防热 runaway（TR）的关键策略之一。传统的电池热管理系统（BTMS）主要包括空气冷却、液冷和相变材料（PCM）[26], [27]。空气冷却利用空气作为冷却介质，通过对流换热去除电池产生的热量[28]。虽然其结构简单，但由于其较低的导热系数，往往无法满足抑制TR所需的散热效率[29]。PCM利用材料在物理相变过程中的潜热吸收来实现温度控制[30]。由于其近零能耗、无移动部件和强大的温度控制能力等独特优势，近年来吸引了大量研究兴趣[31]。然而，PCM 可能会完全融化，并且它存在热惯性的问题。在使用过程中，其热性能会下降 [32]。为了克服 PCM 的缺点，Sun 等人 [33] 研究了结合 PCM 和液体冷却的热管理方法。在他们的工作中，热管理效率得到了提高。
液冷利用液体的高比热容和热导率来实现高效和及时的散热。由于其优越的传热系数和冷却性能，基于液体的冷却技术是商业电动汽车中使用最广泛的技术 [34], [35], [36]。液冷管理通过利用液体的高比热容和热导率，及时有效地散发电池产生的热量 [37]。Ding等人 [38] 研究了冷却板中通道数量和纵横比的影响。结果表明，在一定范围内通道数量的增加可以显著增强冷却性能。Shi等人 [39] 优化了液冷板的结构。冷却液流动的均匀性得到改善，流动阻力降低。Zhang等人[40]提出了一种铝泡沫夹层（AFS）底板，集成液冷管以提高热管理效率。Kausthubharam等人[36]研究了冷却液流量对液冷BTMS性能的影响。他们的实验结果表明，随着流量的增加，电池的最高温度和温度差都减小。Tang等人[41]研究了不同通道类型冷却板的冷却效果差异。结果表明，在电池的大表面上使用蛇形通道冷却板可以有效减小电池组内的温度差。Li等人[42] 在不同的环境温度和冷却液参数（如入口温度和流量）下，研究了冷却性能。在高温条件下，冷却液入口温度和流量的梯度降低可以提高电池组的温度均匀性。Yang等人[43]利用COMSOL Multiphysics开发了一个数值模型，并探讨了集成冷却板和热管的混合冷却系统中的电池模块的热特性。他们发现，将热管与底部和侧面冷却板结合的配置显著增强了散热效果，并有助于防止TR。对于液冷，冷却板的流道设计和冷却液流量是决定BTMS冷却性能的关键参数。
根据上述文献，小型或中等容量电池（例如，2-100 Ah）的热 runaway被广泛研究。大型容量电池（例如，314 Ah）的热 runaway演变尚未得到充分研究，包括电池中的热 runaway传播和热生成等。安全控制方法对电池使用非常重要。目前的研究主要集中在早期预警和灭火。在早期预警和灭火之间缺乏紧急响应方法。从早期预警到热 runaway之间可能有几十分钟。灭火可能会影响电池的性能。应进一步研究BTMS在热 runaway抑制中的功能，因为目前关于BTMS的研究主要用于电池正常使用的散热。为了填补这一空白，在这项工作中，研究了大容量锂离子电池（314 Ah）在热 runaway（TR）过程中的产热和传热。之后，研究了液冷BTMS在TR预防中的作用。获得了液冷BTMS预防TR的关键特征参数。此外，还发现了基于液冷的TR预防机制。这项工作的结果推荐了一种在早期预警后的紧急方法。它在灭火之前使用，并且在其运行后对电化学储能系统的功能没有影响。这项工作属于电池热管理的进步，以防止热 runaway并提高安全性。获得液冷BTMS防止热 runaway的关键特征参数。此外，发现基于液冷的热 runaway预防机制。本研究结果推荐了一种预警后的紧急方法。在灭火前使用，且在其运行后对电化学储能系统的功能没有影响。本研究工作属于电池热管理领域，旨在预防热 runaway并提高安全性。获得了液冷BTMS防止热 runaway的关键特征参数。此外，发现了基于液冷的热 runaway预防机制。本研究结果推荐了一种预警后的紧急方法。在灭火之前使用，并且在其运行后对电化学储能系统的功能没有影响。本研究工作属于电池热管理领域，旨在预防热 runaway并提高安全性。这项工作涉及电池热管理的进步，以防止热失控并提高安全性。这项工作涉及电池热管理的进步，以防止热失控并提高安全性。
这项工作以314 Ah棱柱形LiFePO4电池为研究对象，研究在不同加热功率下的TR行为。此外，它还检查了LCTMS在抑制不同加热功率下的TR中的作用。之后，获得了LCTMS在抑制TR方面的关键参数，包括冷却液温度和流量。在第2节中，提供了LiFePO4电池和实验装置被描述。在第2节中，探讨了在不同加热功率下的TR行为。揭示了TR过程中不同阶段的产热和传热。随后，通过改变冷却液流量、温度和LCTMS激活时间，研究了LCTMS在不同液体冷却条件下抑制TR的作用。在第3节中，得出主要结论。本研究的结果为液体冷却热管理及锂离子电池TR现象的预防方法提供了参考。
