一、背景与研究意义

随着新能源电动汽车的普及，电动汽车的安全问题越来越受到关注。其中，锂电池的安全特性是电动汽车安全的关键因素之一。本文以三元软包锂电池为研究对象，通过实验和仿真研究，探讨了锂电池在受到不同形状挤压头、不同挤压位置、不同初始荷电状态（SOC）条件下的安全特性变化规律。

(相关资料图)

图 1. 1 近年中国新能源汽车销量柱状图

研究结果表明，挤压头形状越尖锐细窄，锂电池温度突升时刻越早，突升温度越高，容量损失越大，内阻升高越多。挤压位置越靠近锂电池底部边缘造成的温升越高，更容易发生热失控。挤压位置越靠近极耳，容量损失越多，内阻值越大。此外，锂电池的SOC越高，越容易发生热失控，电压降幅越大，容量损失越多，内阻值越大。

为了更深入地了解锂电池在受到不同条件下的安全特性变化规律，本文还基于COMSOL软件平台建立了锂电池的热仿真和应力仿真模型，开展了各类不同挤压条件下锂电池的温度变化和应力变化仿真。仿真结果表明，锂电池挤压后温度及形变规律与实际挤压实验具有较好的一致性。

图 1.2 新能源汽车火灾事故统计

三元锂电池是新能源电动汽车的核心部件之一，其安全特性包括温度、电压、容量和内阻，其结构由正极、负极、电解液、隔膜和外壳五部分组成。新能源电动汽车的工作原理是锂离子在正负极之间的移动，当锂电池放电时，电子从负极通过外部电路到正极，锂离子从正极通过电解液到负极，这一过程也称为脱锂反应。当锂电池充电时，电子从锂电池正极通过外部电路到电池负极，锂电池正极生成的锂离子 Li+ 进入电解液，穿过隔膜，运动到负极并与到达负极的电子相结合，这一过程也称为嵌锂反应。

本文主要探讨研究三元锂电池的热失控火灾安全特性参数变化规律是基于锂电池一维电化学热反应原理、三维固体传热和固体力学理论，使用COMSOL软件平台建立锂电池的热仿真和应力仿真模型，并开展了各类不同挤压条件下锂电池的温度变化和应力变化仿真。仿真结果表明锂电池挤压后温度及形变规律与实际挤压实验具有较好的一致性。

图 1.3 电动汽车碰撞对车载动力锂电池的影响

通过实验和仿真研究，获得了不同挤压条件下锂电池的热失控火灾安全特性参数变化规律，这对于锂电池单体、锂电池箱的生产制造和锂电池管理系统设计具有极为重要的指导意义。

二、锂电池结构及工作原理

锂电池是一种高性能环保可循环充放电电池，它的充放电主要依靠锂离子在正负极之间的移动。锂电池的主要结构由五部分组成：正极、负极、电解液、隔膜、外壳。正极材料主要由活性材料、导电剂、溶剂、粘合剂、基体组成；负极材料主要包括碳活性材料（石墨、MCMB 、CMS）、粘合剂、溶剂和基体；电解液作为离子载体负责在锂电池正、负极之间传导离子，保证锂电池高且稳定电压；隔膜的作用是隔离正负电极，防止锂电池正负电极接触内短路；外壳保护内芯的运行。

图 1.4 锂电池结构示意图

当锂电池放电时，电子从锂电池负极通过外部电路到电池正极，锂离子 Li+ 从负极进入电解液，穿过隔膜，到达正极，这一过程也称为脱锂反应；当锂电池充电时，电子从锂电池正极通过外部电路到电池负极，锂电池正极生成的锂离子 Li+ 进入电解液，穿过隔膜，运动到负极并与到达负极的电子相结合，这一过程也称为嵌锂反应。

锂电池的热失控是指电池单体放热连锁反应引起的电池自温升速率急剧变化的过热、起火、爆炸现象。锂电池挤压产热主要来源于四个方面：一是 SEI 膜的分解反应；二是负极-电解液反应；三是隔膜熔化过程；四是正极、电解液、粘结剂的分解反应。

图 1.5 锂电池工作原理示意图

当锂电池放电时，电子从负极通过外部电路流向正极，同时锂离子从负极向正极移动。这个过程中，锂离子通过电解液传递，并穿过隔膜到达正极。这个过程被称为脱锂反应。

当锂电池充电时，电子从正极通过外部电路流向负极，同时锂离子从正极向负极移动。这个过程中，锂离子通过电解液传递，并穿过隔膜到达负极。这个过程被称为嵌锂反应。

锂电池的热失控是指电池单体放热连锁反应引起的电池自温升速率急剧变化的过热、起火、爆炸现象。这种现象可能是由于电池内部短路、过充、挤压、高温等原因引起的。当电池温度升高到一定程度时，电池内部化学反应速率加快，产生大量的热能，导致电池温度迅速升高，最终导致电池热失控。在这个过程中，电池内部的电解液会分解，正负极材料会燃烧，电池会起火或爆炸。

图 1.6 锂电池热失控链式反应示意图

因此，在使用锂电池时，需要注意安全问题，避免过充、过放、挤压、高温等不良操作，以确保电池的安全和稳定性。同时，在使用过程中，应定期检查电池状况，及时发现和处理问题，避免发生安全事故。

三、锂电池挤压热失控国内外研究现状及现存问题

锂电池挤压热失控国内外研究现状及现存问题主要有以下几个方面：

现有研究对象主要是方壳磷酸铁锂电池和18650圆柱锂电池。研究方式主要有实验研究和仿真研究两种方式。实验研究中，针对圆柱锂电池的主要机械加载方式有三种：三点弯曲法、轴向径向挤压法、局部挤压法；针对方形锂电池的主要机械加载方式为局部挤压法、平板挤压法。挤压头形状主要有平板形、球形、半球型、圆锥形。仿真研究中，通过仿真建立的模型主要有单体锂电池模型、锂电池箱模型和汽车整车模型等；使用的仿真软件主要有ANSYS、LS-DYNA、COMSOL、Abaqus等。研究目标主要是锂电池挤压后结构强度特性以及温度变化。

锂电池挤压热失控的国内外研究现状及现存问题主要集中在对方壳磷酸铁锂电池和18650圆柱锂电池的实验研究和仿真研究，研究目标主要是锂电池挤压后结构强度特性以及温度变化。

四、研究内容

锂电池挤压实验平台

锂电池挤压实验平台是用于研究锂电池在受到不同条件下的挤压时的安全特性变化的一种实验设备。该设备通常包括一个挤压装置、数据采集系统、安全防护装置等部分。在实验中，研究人员通过挤压实验平台对锂电池进行不同形状、不同力度、不同位置的挤压，以分析锂电池在各种条件下的安全特性变化。数据采集系统会实时采集锂电池的温度、电压、内阻、容量等安全特性参数，以帮助研究人员了解锂电池在挤压过程中的变化情况。安全防护装置则是在实验过程中保护人员和设备的安全。

三元锂电池挤压后安全特性参数采集系统

三元锂电池挤压后安全特性参数采集系统包括温度采集系统、电压采集系统、电阻采集系统和电池容量采集系统。其中，温度采集系统使用K型热电偶和8通道温度数据采集模块，通过RS485转USB传输数据给上位机；电压采集系统使用电压互感器进行信号变换，并通过RS485转USB传输数据给上位机；电阻采集系统使用电阻分压法进行信号变换，并通过RS485转USB传输数据给上位机；电池容量采集系统使用锂电池容量测试仪进行测试，并将测试结果传输给上位机。整个采集系统通过数据采集模块实现数据采集和传输，最终在上位机上进行显示和分析。

五、实验部分

实验材料：本研究使用了三元锂电池作为实验对象，包括电池的正极、负极、电解液、隔膜等材料。实验设备：使用了锂电池挤压实验平台、数据采集系统、安全防护装置等设备。实验方法：

(1) 设计实验方案，确定实验条件：包括挤压头形状、挤压位置、初始SOC等条件。

(2) 开展大量锂电池挤压实验，并记录实验数据。

(3) 对挤压后锂电池的安全特性参数进行采集和分析，包括温度、电压、内阻、容量等参数。

(4) 对挤压后锂电池的正负极材料进行SEM观测，分析其微观形貌变化。

(5) 基于COMSOL平台建立锂电池的热仿真和应力仿真模型，开展不同挤压条件下锂电池的温度变化和应力变化仿真，辅助验证实验结果。

结果与数据分析

不同初始SOC挤压实验结果：

(1) 不同初始SOC对锂电池外形影响并不明显。

(2) 不同初始SOC的锂电池在挤压后安全特性参数变化有所不同。

(3) 100%SOC锂电池在挤压处厚度更大一些。

不同形状挤压头挤压实验结果：

(1) 直角挤压头对锂电池产生的挤压面积更大，挤压位置相对细窄。

(2) 圆柱挤压头对锂电池产生的挤压面积更小，挤压位置相对圆钝。

(3) 在相同初始SOC和相同挤压位置条件下，两种形状挤压头对锂电池安全特性参数的影响不同。

六、结论与展望

近年来，中国的新能源电动汽车销量激增，但是火灾事故仍然频发。通过对事故原因的分析，15%的原因是交通事故或底盘碰撞。因此，研究锂电池在挤压后的性能变化至关重要。目前，国内外对锂电池挤压的研究主要针对方壳磷酸铁锂电池和18650圆柱锂电池，挤压条件多为国标规定的实验条件，研究目标也多是结构强度特性。为了更贴近真实车况的不规则挤压条件，我们需要对三元锂电池进行挤压实验，并研究其热失控安全特性参数变化规律。

针对需要研究的锂电池安全特性参数，包括温度、电压、内阻和容量，我们首先设计实验平台，确定实验方案，并选择实验条件，包括挤压头形状、挤压位置和初始SOC。然后，根据方案进行大量的锂电池挤压实验。在实验过程中，我们采集锂电池的安全特性参数，并对挤压后的锂电池正负极材料进行SEM观测。通过对比分析，我们获得了三种挤压条件对安全特性参数和锂电池正负极材料微观形貌的影响规律。

最后，我们基于COMSOL平台建立了三元锂电池的热仿真和应力仿真模型，开展了不同挤压条件下的锂电池温度变化和应力变化仿真，以辅助验证实验规律。

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