中文摘要：

锂离子电池被公认是最有希望的电动汽车动力电源，但锂离子电池的使用安全问题还没有完全解决，并制约其在电动汽车领域的大规模使用。锂离子电池的安全问题与电池的生热、散热过程密切相关。本申请课题以锰酸锂动力蓄电池为研究对象，研究锂离子电池的生热特性、热失控模式与热失控模型，解析电池的热失控机理。研究工作搭建锂离子电池单体专用测试平台，进行具有危险性的电池热失控实验以掌握基础数据；全面研究电流、电压、荷电状态、内部温度对锂离子电池生热的影响；基于电池正极材料、负极材料、隔膜、电解液等在高温环境中反应特性，研究锂离子电池热失控的机理；建立锂离子电池的三维热失控模型，在热失控模型中嵌入考虑电池内部材料的分项生热机理和电流密度分布，运用数值仿真技术研究电池的过充电、高温、短路、针刺四种典型失效模式，进一步验证电池生热机理，提出防控热失控的关键控制参数与措施方法，提高锂离子电池的使用安全。

结论摘要：

电动汽车是世界交通领域面对能源和环境压力的必然选择。在电动汽车用大型动力蓄电池中，锂离子电池最具发展潜力，但安全性仍然制约其广泛应用和电动汽车的普及。锂离子电池在过充电、短路、高温、针刺等极端使用条件下的安全性决定锂离子电池的安全性评价，也是改善锂离子电池安全性相关研究工作的重点。本课题重点研究极端使用条件下的锂离子电池安全性。课题以某国产100Ah大容量锰酸锂电池为研究对象，通过常规试验掌握锰酸锂电池的基本工作特性，结合红外热成像等手段，通过安全性测试掌握锰酸锂电池在极端使用条件下的具体现象与重要参数变化，建立锂离子电池的生热模型、热模型、热失控模型和网格模型，使用多物理场耦合建模分析软件COMSOL，运用数值仿真的方法，分析锂离子电池在过充电、短路、高温和针刺条件下的内部反应机理，计算电池温度场和电学特性的变化，讨论电池副反应的影响、热失控的原因和热安全的保障条件，进而为锂离子电池的设计、制造、使用提供指导。试验数据和仿真结果的对比分析，验证了所建立的锂离子动力蓄电池三维电热耦合模型在上述四种极端条件下的实用性、可靠性和准确性。研究工作表明，锂离子电池过充电过程的主要安全隐患是副反应，在使用中要采取有效措施避免过充电相关副反应引起的热失控。外部短路是一种典型电池滥用情形，短路过程电流大、时间短、热冲击强烈，是重大安全隐患。高温加热过程中的电池副反应是导致电池失效直至热失控的主要原因，加热试验过程中电池的热失控原因主要与副反应中的负极与电解液的反应相关。要避免电池处于100℃以上的高温环境，过高的环境温度容易使电池的有机电解液气化，从而导致电池迅速失效。电池被针刺的过程中，正极集流体铝与负极集流体铜连接是主导电池针刺过程的反应。研究工作对于电池的应用提供了有益的启示锂离子电池的热安全受电池设计、材料、结构、制造、使用等诸多因素影响，优化电池结构、精选电池材料、改善制造工艺、增加保护措施等办法都能减少电池出现热失控的风险。电池结构与材料的改善，能够显著提高电池的抗过充电、耐高温能力，通过监控或增加保护装置能有效避免短路、过充电的发生。对锂离子电池极端使用条件下的安全性分析，能够帮助提高电池设计效率、降低电池开发成本、保障使用安全。研究工作中对电池副反应的分析与建模，采用分类解耦方法对锂离子电池针刺过程中内部生热因素开展的研究具有一定创新性。