3.2.1 单体电池间热蔓延实验和仿真

为研究热失控电池是否会引发周围电池的热失控，本节先进行两个单体电池间的过充热蔓延实验及仿真研究。

（1）单体电池间热蔓延实验

用聚酰亚胺胶带将两个处于满电状态的86Ah单体电池紧贴在一起，使用0.5C的充电倍率对满电状态下的一个单体电池进行充电，当电池发生热失控时停止充电。在两个电池侧边中心布置热电偶，监测电池表面温度变化，鉴于电池在热失控阶段会产生浓烟并遮挡可见光摄像头，通过红外摄像头监测整个过充阶段的画面。

红外监测记录如图3-30所示。图3-30a为电池充电初期的红外监测画面，电池表面温度和环境温度保持一致，均为20℃。图3-30b为过充电池鼓包膨胀时的画面，可以发现由于过充电池的膨胀，两个紧贴的电池间出现缝隙，此时过充电池温度最高温度为72℃，相邻电池温升有限，但是已经明显高于环境温度。图3-30c为过充电池安全阀打开时的画面，此时过充电电池严重变形，最大厚度约为正常电池的两倍，且过充电池最高温度已经高于红外探头的监测范围（156℃），正常电池仍未发生任何变化。图3-30d为产气阶段的画面，此时红外监测温度仍高于红外系统的监测范围，相邻电池始终未发生明显的变化。

过充时两个相邻单体电池的表面温度变化如图3-31所示。

图3-31表明：①过充电池在前1300s温升较小，此时相邻电池的温度数据基本不变；②当t＞1300s后，由于过充电池剧烈反应，产出大量热量，通过热辐射和固体传热不断向相邻电池传递热量，相邻电池的温度迅速上升，最高温度达76.8℃，但是低于SEI膜分解的临界温度（90℃）；③随着过充电池热失控的结束，相邻电池的温度也随之降低。根据温度变化规律可以发现，在仅有两个单体电池的情况下，某一电池发生热失控时，会对相邻电池的温度造成影响。可以预见，随着过充电池热失控时间增加及热量不断累积，可能触发相邻电池模组的温度到达热失控临界点，届时，相邻电池模组将会自发地产热。这一情况放置在模组中更加严峻，因为模组内电池数量多且排列更紧密，单体电池的热失控对周围单体电池的影响更大，热连锁反应会导致模组整体的热失控。

（2）两个单体电池热蔓延仿真

电池过充时表面温度会迅速上升，进而蔓延到正常电池，影响正常电池的工作状态。根据前文分析可知，引发电池热失控的是电化学副反应产热，其中SEI膜分解临界温度为90℃，正常电池整体温度达到该临界条件时，有可能会发生热失控现象。在研究电池的热蔓延仿真时，对正常电池设置相应的边界条件，当电池平均温度高于临界温度时，开始副反应产热。

将两个紧挨的磷酸铁锂单体电池（间距接近0mm）组成一个电池组（模拟过充热失控的最大影响），以0.5C充电倍率对其中一个电池进行过充，该电池组的几何模型如图3-32所示。

截取了四个仿真时间点对比过充电池对相邻电池的热量传递规律，如图3-33所示。

图3-33a为两个单体电池初始阶段的温度云图，初始温度为20℃。图3-33b为t=1352s时的温度云图，此时过充电池的最高温度为118℃，已经进入了化学副反应阶段，热量由过充电池向常态电池逐渐转移，通过温度云图的图例可以发现，靠近过充电池侧的相邻电池温度高于80℃，电池最低温度为27.4℃。图3-33c为t=1512s时电池组的温度云图，电池组温度达到峰值，此时电池最高温度为230℃，最低温度为67.5℃，且相邻电池整体温度均处于该范围，整体温度未达到化学副反应的临界温度，随后电池组温度开始降低。图3-33d为t=1850s时的温度云图，此时电池组最高温度为86.4℃，最低温度为22.2℃，整体相较t=1512s时刻的温度大幅度降低。

根据仿真结果分析可知，当两个单体电池紧挨时，过充电池会向相邻电池持续性扩散热量，尤其是当电池进入化学副反应阶段以后，过充电池产生大量的热量，通过固体传热直接传播，相邻电池整体温度迅速提升。当过充电池温度达到峰值时，此时常态电池最低温度为67.5℃，电池整体温度未达到化学副反应SEI膜的分解温度90℃，从数值上说，此时相邻电池的温度还不足以进入自发热失控，但是在实际情况下，由于电池的热量累积，相邻电池仍可能进入热失控。

为更加直观地看到电池组温度峰值时刻电池间热量传递规律，这里截取t=1512s时电池组的截面图，如图3-34所示。

根据切面云图可知，t=1512s时常态电池靠近过充电池侧最高温度可达120℃左右，但是电池导热性能较差，电池最低温度仅74.6℃，未达到电池热失控的临界条件。

仿真表明，当邻近紧贴电池热失控时，不会触发常态电池热失控。但是邻近电池的整体温度已经接近SEI膜的分解温度（90℃），考虑实际的热失控并没有准确的温度阈值，电池热蔓延导致邻近电池的热失控仍非常可能发生，应尽量避免单个磷酸铁锂电池过充电现象。