【清华大学_冯旭宁_】2025年电池热失控反应调控技术研究进展报告_58页_17mb

电池热失控反应调控技术研究进展总结

核心内容概述

清华大学车辆学院电池安全实验室致力于研究电池热失控反应调控技术，旨在提升电池系统的安全性能。实验室由冯旭宁负责，与宜宾院士工作站共建，总面积达4000平方米，拥有300余台先进仪器，一期投资1.2亿元。研究聚焦于热失控反应机理、调控技术以及电芯落地开发，以解决高能量密度电池材料在安全运行方面的挑战。

主要观点

1. 研究背景及思路

• 高比能需求：随着新能源汽车和储能系统的快速发展，对高比能电池的需求日益增加，但高能量密度化与安全性之间的矛盾显著。
• 事故频发：近年来，电池引发的重大安全事故频发，如电动车火灾、储能电站燃烧等，表明热失控问题亟需解决。
• 研究挑战：电池高能量密度化导致其热稳定性下降，热滥用耐受性降低，系统热失效概率显著上升。

2. 电池热失控的反应机理

• 热失控过程：电池热失控是电化学反应与热化学反应耦合作用的结果，包含多个反应阶段（反应I至反应V）。
• 反应时序解析：通过ARC（绝热量热法）和DSC（差示扫描量热法）结合，可解析热失控反应的时序和特征温度。
• 热失控与燃烧关系：热失控反应越剧烈，喷发气体温度越高，但其可燃性越低。热失控决定了燃烧的两个要素：自燃温度和可燃性。

3. 电池热失控反应调控

3.1 热化学反应的电调控

• 调控机制：通过电子争夺，抑制副反应产热，减少还原性气体生成。
• 调控方案：采用反向电流放电，与副反应争夺电子，从而降低热失控的总释能量。
• 实验效果：实验组电池未发生热失控，而对照组电池发生热失控。实验组显著抑制了负极反应产气，有效阻止了热失控的蔓延。

3.2 安全电解液配方调制

• 调配思路：去除传统电解液中易燃的EC成分，采用PC作为溶剂，优化电解液配方。
• 调控机制：减少电解液热解产生的还原性气体，从而降低热失控的放热量。
• 调控方案：采用AD3型配方，去除主要反应物EC，提升电池热临界温度 $T_2$。
• 实验效果：实验组电池热失控触发温度提升67℃，热失控最高温度下降，显著提升电池安全性。

3.3 电池自毁原理与设计

• 自毁分类：分为物理自毁和化学自毁。
• 物理自毁：通过异质结构金属涂层复合集流体，在拉伸或弯曲载荷下，涂层断裂，切断电子通路，实现物理自毁。
• 化学自毁：采用毒化剂，打断热失控反应链，减少氧化还原气体排放，降低反应热。
• 实验验证：通过针刺测试，实现针刺0短路，提高电池安全性。采用“耐高温隔膜+定向排气阀”组合设计，降低热失控最高温度400℃以上。

关键信息

电芯参数

热失控反应时序与调控

• 反应I：负极界面反应，产生还原性气体。
• 反应II：负极本征反应，产热。
• 反应III：电解液本征反应，产热。
• 反应IV：正极界面反应，产生氧化性气体。
• 反应V：正极本征反应，产热。
• 反应VI：串扰反应，加剧热失控。

热失控反应调控效果

• 电子争夺：有效抑制热失控，降低反应产热。
• 电解液调制：减少还原性气体，提升热临界温度。
• 自毁机制：通过物理或化学方法，实现电池在热失控时的自毁，减少事故损失。

研究成果与应用

• 技术成果：通过热化学反应的电调控、电解液配方调制和自毁设计，显著提升电池安全性。
• 实际应用：为北京市、成都市等城市电动自行车的安全整治提供关键技术支撑，参与电池事故调查20余次。
• 合作与资助：与多家企业及科研机构合作，包括四川新能源汽车创新中心、赛科检测、清安能源等，以及多位博士导师和合作导师。

致谢

• 感谢两位博士导师的倾囊相授，以及对电池安全实验室创立的大力支持。
• 感谢密歇根大学联培导师Jing Sun、Huei Peng，帝国理工访问学者Gregory J. Offer，NREL访问学者S Santhanagopalan等。

联系方式

• 汇报人：冯旭宁
• 邮箱：fxn17@mail.tsinghua.edu.cn
• 微信：13810484647