2025-03-24-清华大学-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

本研究聚焦于锂离子电池热失控反应的调控技术，旨在通过电化学、热化学及传热机制的协同调控，提升电池系统在高能量密度化趋势下的安全性。研究团队从热失控机理入手，提出了通过电调控、电解液配方优化以及电池自毁设计等多维度的解决方案，以降低热失控总释能量，防止事故蔓延。

主要观点

• 热失控的触发机制：热失控源于电池内部的电化学短路和热化学反应的耦合，特别是负极还原性气体攻击正极，引发剧烈的热释放和气体生成。
• 热失控的时序与反应区：电池热失控包含多个反应阶段，涉及负极界面、负极本征、电解液本征、正极界面及正极本征反应等，这些反应的时序决定了热失控的发展过程。
• 调控策略：通过反向电流放电、电解液配方调制（如去除EC、引入PC等）、以及自毁机制设计（如化学毒化剂和物理结构破坏）等手段，有效抑制热失控的蔓延和反应热。

关键信息

1. 研究背景

• 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。
• 安全挑战：高能量密度化导致电池系统热失控风险增加，需平衡能量密度与安全性。
• 事故数据：2024年多起电池事故表明，热失控不仅威胁生命安全，还造成严重财产损失。

2. 电池热失控的反应机理

• 热失控特征温度：通过绝热量热法和差示扫描量热法，确定了电池热失控的三个关键温度（T1, T2, T3）。
• 反应时序分析：揭示了热失控过程中反应的时序性，包括负极界面、电解液、正极等反应区。
• 热化学副反应：负极界面反应产生的还原性气体是热失控的重要诱因。

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：通过反向电流放电，与副反应争夺电子，从而抑制反应产热。
• 实验验证：实验组电池在热失控测试中未失控，能量密度显著提升，且有效抑制了热蔓延。

3.2 安全电解液配方调制

• 调配思路：去除传统电解液中的EC成分，引入PC作为主要溶剂。
• 配方优化：通过调整电解液配方，提升了电池的热稳定性，降低了热失控最高温度。
• 性能提升：实验组电池在放电倍率、循环寿命等方面表现良好，满足国标要求。

3.3 电池自毁原理与设计

• 自毁分类：包括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设计，在针刺测试中实现0短路。
• 化学自毁：利用毒化剂打断热失控反应链，减少氧化还原气体的生成。
• 自毁效果：物理自毁方案可显著降低热失控最高温度，化学自毁方案有效抑制反应热。

4. 电芯落地开发

• 电芯参数：包括能量密度、标称容量、标称电压、放电倍率、使用温度、循环次数和电芯尺寸等。
• 应用领域：涵盖无人机、电摩、AGV、机器人及便携式储能等。
• 电芯规格：25Ah，3.6V，3C放电倍率，满足国标（GB/T38031）要求。

5. 资助与合作致谢

• 导师团队：欧阳明高、何向明、Jing Sun、Huei Peng、Gregory J. Offer、S Santhanagopalan、艾新平、王芳等。
• 合作单位：包括清华大学车辆学院电池安全实验室、四川新能源汽车创新中心、赛科检测、清安能源等。
• 团队成员：涵盖教师、博士后、博士生、硕士生及本科生，共涉及多个研究方向。

研究意义

• 通过多维度调控策略，有效提升电池系统的安全性，满足高能量密度化的需求。
• 为新能源汽车和储能系统提供关键的安全保障技术，减少事故损失，提升系统可靠性。
• 实验数据表明，调控方案在实际应用中表现出良好的安全性和性能，具有广阔的市场前景。

未来展望

• 进一步优化调控机制，提升电池性能与安全性的平衡。
• 推动研究成果的产业化应用，为电池安全技术发展提供理论支持和实践基础。