隨著電動汽車的普及，鋰離子電池因其高能量密度、長壽命等優(yōu)點成為主流動力來源。然而，在高溫、碰撞等極端條件下，電池可能發(fā)生熱失控，導致起火甚至爆炸。如何快速、準確地判斷電池在什么條件下會失控，成為科研與工程領(lǐng)域的重要課題。

近日，一項發(fā)表于《Scientific Reports》的研究提出了一種基于分岔理論的定性分析方法，能夠在不依賴復雜數(shù)值模擬的情況下，快速判斷鋰離子電池發(fā)生熱失控的臨界厚度，為電池安全設(shè)計與熱管理提供了新思路。

熱失控的鏈式反應機理

Millennial Lithium

鋰離子電池在正常工作時有可逆的電化學反應，但在高溫下，會觸發(fā)一系列不可逆的放熱反應，如果產(chǎn)熱速率大于散熱能力，溫度將持續(xù)上升，最終引發(fā)熱失控。

研究中指出了四種主要的過熱放熱反應，它們依次在不同溫度區(qū)間被觸發(fā)：

SEI膜分解反應（約 90–120°C）

負極溶劑反應（>120°C）

正極溶劑反應（>170°C）

電解質(zhì)分解反應（>200°C）

鋰離子電池結(jié)構(gòu)與電池包示意圖

傳統(tǒng)模擬的瓶頸：計算復雜、耗時長

Millennial Lithium

目前多數(shù)研究采用基于COMSOL等的多物理場數(shù)值模擬，雖然能精確描述電池內(nèi)部的溫度場變化，但存在以下問題：

計算量大、耗時長；

對初始條件和數(shù)值擾動敏感；

難以高效、可靠地識別熱失控的臨界參數(shù)（如臨界厚度、臨界產(chǎn)熱率）。

分岔理論：快速判斷“安全”與“失控”的界限

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分岔理論是非線性動力學中的一種定性分析方法，用于研究系統(tǒng)在參數(shù)變化時穩(wěn)態(tài)解的突變行為。本研究將其引入電池熱失控分析中，通過建立平行模型（模擬方形電池）和圓形模型（模擬圓柱電池），研究在底部過熱、頂部冷卻的條件下，電池是否能夠維持熱平衡。

平行模型結(jié)構(gòu)示意圖

研究發(fā)現(xiàn)，隨著電池厚度增加，系統(tǒng)會出現(xiàn)兩個穩(wěn)態(tài)溫度解，分別對應“安全狀態(tài)”和“潛在失控狀態(tài)”。當厚度繼續(xù)增大至某一臨界值時，這兩個解合并并消失，系統(tǒng)失去穩(wěn)態(tài)，標志著熱失控的發(fā)生。

平行模型中最大溫度的分岔圖

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：散熱越好，電池越厚

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散熱能力越強，臨界厚度越大

研究通過調(diào)節(jié)換熱系數(shù)h模擬不同冷卻條件（自然對流/強制對流），發(fā)現(xiàn)：

當h從 0 增加到 20 W/m2·K，臨界厚度Hcr顯著上升；

當h > 50 W/m2·K 后，提升散熱對臨界厚度的增益逐漸減小。

臨界厚度隨換熱系數(shù)的變化

圓柱電池比方形電池更“耐熱”

研究還發(fā)現(xiàn)，圓柱電池因其結(jié)構(gòu)曲率，在相同過熱條件下，其臨界厚度通常大于方形電池。隨著曲率增大（半徑減?。?，臨界厚度進一步上升，說明曲面結(jié)構(gòu)有利于延緩熱失控。

臨界厚度隨過熱半徑與曲率的變化

強制對流冷卻：進一步提升安全邊界

在平行模型中引入強制對流冷卻后，有效換熱系數(shù)heff提高，臨界厚度明顯上升。例如在負極溶劑反應中，當heff提高10%，臨界厚度從約0.071 m 提升至0.075 m。

強制對流對臨界厚度的影響

本研究通過分岔理論建立了一種快速評估鋰離子電池熱失控臨界厚度的定性框架，具有計算效率高、物理意義明確的優(yōu)點，適用于電池初步安全設(shè)計與參數(shù)篩選。

然而，該模型目前假設(shè)燃料濃度恒定，未能考慮反應物消耗對熱釋放的影響，因此在持續(xù)放熱階段可能高估風險。