同济大学：2024锂离子电池热安全性能演变的老化路径依赖性研究报告_29页_1mb

锂离子电池热安全性能演变的老化路径依赖性研究

研究背景

随着电动汽车和储能市场的快速发展，电池安全问题日益突出。电池安全事故主要由热失控引发，热失控是电池内部放热连锁反应导致的急剧温升，表现为冒烟、起火和爆炸。电池的全生命周期安全失效具有老化路径依赖性，即电池在服役周期内的热安全性演变与老化条件密切相关。已有研究表明，老化路径（如不同温度、充放电倍率、极端条件等）对电池的热失效特征有显著影响。

常规工况下老化电池热安全性

在常规工况下，电池的充放电倍率对热失效行为有明显影响。不同倍率的充放电会导致电池的衰减特性不同：

• 1C和2C倍率组：寿命衰减较快，在400-800次循环后达到寿命终点；其活化能小幅降低，热失控触发温度略有下降。
• 0.5C低倍率组：衰减较缓慢，经历900-1000次循环后达到终点；热失效的特征温度变化较小。

此外，能量密度降低后，电池的热失控触发温度显著升高，而低温或高温循环老化的电池则表现出活化能降低趋势，为热失控的提前发生提供了可能性。

极端工况下老化电池热安全性

极端工况（如高温、过充、过放等）会明显加速电池的老化过程，增加安全隐患。

• 高温环境：高温循环和搁置都会导致电池容量衰减加速，SEI膜增厚、结构脱落及过渡金属溶解等现象更为严重，从而降低电池热稳定性，使热失控温度提前。
• 过充条件：过充会引发负极析锂，形成锂枝晶，增加内部短路的风险，从而降低热失控触发温度，提高热失控的可能性。
• 过放条件：过放会导致正极铜沉积，腐蚀隔膜，损害电池结构，引发热失控前的早期失效。

总结展望

电池在使用过程中的老化路径具有很强的依赖性，不同老化路径的热失效机制不同。安全设计需要重点关注电池内部组分稳定性及热管理策略，具体包括：

• 优化电池设计，避免极端过流/过温条件。
• 加强电池状态监控，特别是过充/过放行为的检测和限制。
• 明确不同老化路径下的失效机理，指导电池的安全评估与管理。

该研究有助于构建电池全生命周期安全管理框架，提升电动汽车和储能系统的整体安全性。

关键词：锂离子电池、热失控、老化路径依赖、安全失效、电池管理