Note7爆炸敲響警鐘，鋰電池熱失控分析和預測

在剛剛過去的9月里，我們被一部手機刷屏了，當然不是iPhone7，而是另一部三星手機Note 7。Note7之所以吸引我們的注意力，不是因為它的強勁性能，而是因為它在國內外多次發生電池火災和爆炸，以及三星區別對待國內外用戶的態度。目前，三星已經停止了Note7在全球的生產和銷售，并開始了召回工作。

無論電子設備的性能有多強，它都無法掩蓋其安全問題。今天，讓我們來研究一下鋰離子電池熱失控的原因和機制。

對于鋰離子電池來說，熱失控是最嚴重的安全事故，會導致鋰離子電池起火甚至爆炸，直接威脅用戶的安全。鋰離子電池的熱失控主要是由于鋰離子電池內部產生的熱量遠高于散熱率，大量熱量積聚在鋰離子電池內，引起連鎖反應，導致電池起火爆炸。

造成熱失控的因素有很多，一般分為內部因素和外部因素兩類。內部因素主要有：電池生產缺陷引起的內部短路；電池使用不當會導致電池中出現鋰枝晶，從而導致正極和負極之間短路。外部因素主要有：擠壓、針刺等外部因素引起的鋰離子電池短路；蓄電池外部短路導致蓄電池內部積聚過多的熱量；

過高的外部溫度會導致SEI膜和陰極材料的分解。

美國得克薩斯大學阿靈頓分校的Krishna Shah分析了鋰離子電池的熱失控現象，建立了一套鋰離子電池熱失控的預測機制，對鋰離子電池安全設計具有重要參考意義。相關研究表明，鋰離子電池的熱失控過程主要由以下反應組成：SEI膜分解、電解質與粘合劑反應、電解質與正極活性材料分解。

影響鋰離子電池熱失控的因素有兩個，一個是電池內部的發熱率，另一個是鋰離子電池的散熱率。傳統的熱分析工具通常假設鋰離子電池的發熱在整個體積內是均勻的，因此這些工具認為熱失控與電池的熱導率無關，這與鋰離子電池實際情況不同，因此預測結果也不準確。研究表明，即使在26650電池中，也存在較大的熱梯度，因此傳統的方法和工具無法準確預測電池的內部和外部熱狀態。

為了解決上述問題，Krishna Shah在傳統的鋰電熱分析模型中添加了熱導率參數，從而生成了無量綱參數熱失控數（TRN）。起初，Krishna Shah建立了電池溫度與發熱和散熱之間的方程關系，如下所示。

公式中的生熱函數Q（T）的泰勒展開是在溫度T0下進行的，并且可以通過忽略高階項來獲得以下公式。

然后這個公式需要經過一個復雜的數學求解過程。小編實在看不懂，所以就不給大家介紹了。讓我們直接看看結果。最后，得到以下結果。

在整個工作范圍內，必須滿足上述公式，以確保不會發生熱失控。該公式結合了內部傳熱kr、表面散熱μ1、發熱率β和電池半徑。電池的發熱率參數β、散熱量和導熱系數是控制鋰離子電池熱失控的關鍵參數。通過增加β值，TRN值也會增加。當TRN>：1時，電池將失去熱控制，并且TRN<：1電池不會發生熱失控。需要注意的是，β不是一個固定值，而是隨著溫度的升高而增加，因此TRN也會增加。

電池的散熱主要由兩個步驟組成，電池內部的熱傳導和電池外部的熱對流。因此，在一定β的前提下，有必要調整電池的導熱系數kr和表面散熱參數μ1，以確保TRN<：1，從而確保電池的安全。例如，當β=6000 W/m3K時，kr和μ1的安全范圍如上圖所示。

通過Krishna Shah的工作，我們可以在電池的安全設計中使用TRN公式來計算鋰離子電池的熱安全系數，并可以通過相應的實驗來測量β值和kr值。根據不同材料的β值和kr值，可以調整電池的R值和表面散熱μ1，以確保TRN<：1，確保鋰離子電池的安全。在剛剛過去的9月里，我們被一部手機刷屏了，當然不是iPhone7，而是另一部三星手機Note 7。Note7之所以吸引我們的注意力，不是因為它的強勁性能，而是因為它在國內外多次發生電池火災和爆炸，以及三星區別對待國內外用戶的態度。目前，三星已經停止了Note7在全球的生產和銷售，并開始了召回工作。

無論電子設備的性能有多強，它都無法掩蓋其安全問題。今天，讓我們來研究鋰熱失控的原因和機制……

n個電池。

對于鋰離子電池來說，熱失控是最嚴重的安全事故，會導致鋰離子電池起火甚至爆炸，直接威脅用戶的安全。鋰離子電池的熱失控主要是由于鋰離子電池內部產生的熱量遠高于散熱率，大量熱量積聚在鋰離子電池內，引起連鎖反應，導致電池起火爆炸。

造成熱失控的因素有很多，一般分為內部因素和外部因素兩類。內部因素主要有：電池生產缺陷引起的內部短路；電池使用不當會導致電池中出現鋰枝晶，從而導致正極和負極之間短路。外部因素主要有：擠壓、針刺等外部因素引起的鋰離子電池短路；蓄電池外部短路導致蓄電池內部積聚過多的熱量；

過高的外部溫度會導致SEI膜和陰極材料的分解。

美國得克薩斯大學阿靈頓分校的Krishna Shah分析了鋰離子電池的熱失控現象，建立了一套鋰離子電池熱失控的預測機制，對鋰離子電池安全設計具有重要參考意義。相關研究表明，鋰離子電池的熱失控過程主要由以下反應組成：SEI膜分解、電解質與粘合劑反應、電解質與正極活性材料分解。

影響鋰離子電池熱失控的因素有兩個，一個是電池內部的發熱率，另一個是鋰離子電池的散熱率。傳統的熱分析工具通常假設鋰離子電池的發熱在整個體積內是均勻的，因此這些工具認為熱失控與電池的熱導率無關，這與鋰離子電池實際情況不同，因此預測結果也不準確。研究表明，即使在26650電池中，也存在較大的熱梯度，因此傳統的方法和工具無法準確預測電池的內部和外部熱狀態。

為了解決上述問題，Krishna Shah在傳統的鋰電熱分析模型中添加了熱導率參數，從而生成了無量綱參數熱失控數（TRN）。起初，Krishna Shah建立了電池溫度與發熱和散熱之間的方程關系，如下所示。

公式中的生熱函數Q（T）的泰勒展開是在溫度T0下進行的，并且可以通過忽略高階項來獲得以下公式。

然后這個公式需要經過一個復雜的數學求解過程。小編實在看不懂，所以就不給大家介紹了。讓我們直接看看結果。最后，得到以下結果。

在整個工作范圍內，必須滿足上述公式，以確保不會發生熱失控。該公式結合了內部傳熱kr、表面散熱μ1、發熱率β和電池半徑。電池的發熱率參數β、散熱量和導熱系數是控制鋰離子電池熱失控的關鍵參數。通過增加β值，TRN值也會增加。當TRN>：1時，電池將失去熱控制，并且TRN<：1電池不會發生熱失控。需要注意的是，β不是一個固定值，而是隨著溫度的升高而增加，因此TRN也會增加。

電池的散熱主要由兩個步驟組成，電池內部的熱傳導和電池外部的熱對流。因此，在一定β的前提下，有必要調整電池的導熱系數kr和表面散熱參數μ1，以確保TRN<：1，從而確保電池的安全。例如，當β=6000 W/m3K時，kr和μ1的安全范圍如上圖所示。

通過Krishna Shah的工作，我們可以在電池的安全設計中使用TRN公式來計算鋰離子電池的熱安全系數，并可以通過相應的實驗來測量β值和kr值。根據不同材料的β值和kr值，可以調整電池的R值和表面散熱μ1，以確保TRN<：1，確保鋰離子電池的安全。

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