锂离子电池内短路热点演化中电化学-热相互作用的多物理场耦合机制

《Journal of Energy Storage》：Multiphysics coupling mechanisms of electrochemical-thermal interactions in the internal short-circuit hotspot evolution of lithium-ion batteries

　　

内部短路(ISC)是锂离子电池(LIB)的关键安全隐患，常引发灾难性热失控(TR)。然而，热失控传播过程中电流密度热点的时空演化及电化学场与热场的精确耦合机制仍不明确。本研究结合70 Ah Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2软包电池的针刺实验与高保真三维(3D)电化学-热耦合模型，建立了集成研究框架。该模型采用加速量热仪(ARC)动力学校准的等效双层结构解析层间动态。实验与仿真结果均揭示了由“电流超聚焦”驱动的双相热点演化机制，在机械侵入界面处局部电流密度超过108A/m2。反直觉的是，由于极端的电流拥挤效应，更小的侵入物(1 mm)会引发更高的局部峰值温度，而更大的侵入物(6 mm)则增加总短路功率。此外，研究人员基于荷电状态(SOC)确定了热失控传播模式的临界转变：高SOC条件下，剧烈放热反应和对流换热驱动快速传播(高达26.9 mm/s)；低SOC条件下，固相热传导主导慢速传播(3.1 mm/s)。这些发现定量阐明了内短路过程中的电化学-热反馈回路，为优化电池安全设计与管理策略提供了理论基础。

锂离子电池内短路热失控多物理场耦合机制研究解读

研究背景与意义

锂离子电池(LIB)作为核心储能器件，其安全性尤其是内部短路(ISC)引发的热失控(TR)风险，一直是制约其大规模应用的关键瓶颈。现有研究虽已识别出ISC为TR的主要诱因，但对于短路瞬间及演化过程中，电流密度热点在微观层面的时空演变规律，以及电化学场与热场之间复杂的双向耦合机制仍缺乏深入理解。特别是针对高能量密度电芯，缺乏定量的多物理场耦合解析。因此，湖南大学Yuhan Ai、Peifeng Huang、Zhonghao Bai及Qingsong Wang等研究人员在《Journal of Energy Storage》发表研究，旨在通过融合实验与高精度模拟，揭示ISC诱导TR的内部机理，为电池安全设计提供理论支撑。

关键技术方法

研究人员选取70 Ah Li(Ni_0.8Co_0.1Mn_0.1)O₂（NMC811）软包电池作为研究对象。实验方面，采用直径分别为1 mm、3 mm和6 mm的钨针，以4 mm/s的速度进行针刺测试，模拟极端机械损伤，并在25%和50%荷电状态(SOC)下进行验证，使用铠装K型热电偶采集温度数据。数值模拟方面，构建了高保真三维(3D)电化学-热耦合模型，创新性地引入经加速率量热仪(ARC)动力学参数校准的等效双层结构，以精准解析电池内部的层间动态响应与多物理场耦合行为。

研究结果

Nail penetration test data（针刺测试数据）

实验数据显示，除25% SOC下受1 mm针刺的电池外，其余工况均发生了热失控。最剧烈的燃烧行为出现在100%和50% SOC的电池中，针刺后1秒内即直接起火，伴随剧烈的喷射火与内部物质喷出，证实了高SOC下ISC引发TR的极端危险性。

Conclusions（结论）

研究揭示了ISC触发的“电流超聚焦”定律。无论针刺尺寸或SOC如何，机械侵入都会在侵入界面形成金属连接，导致局部电流密度异常集中，峰值超过10⁸A/m²。值得注意的是，较小的侵入物（1 mm）因电流拥挤效应产生更高的局部峰值温度，而较大的侵入物（6 mm）则导致更大的总短路功率。此外，研究识别了TR传播的临界转变现象：在高SOC条件下，TR传播速度可达26.9 mm/s，主要由剧烈放热反应和对流换热主导；而在低SOC条件下，传播速度降至3.1 mm/s，主要由固相热传导控制。

总结与讨论

该研究通过多物理场耦合视角，量化了锂离子电池内短路过程中电流与热量的非线性反馈机制。研究人员指出，传统的单一物理场分析难以捕捉ISC初期的热点爆发特征，而本研究的3D耦合模型成功解析了这一过程。研究发现的反直觉现象——即更小针刺导致更高局部温度，挑战了以往仅关注总能量的评估方式，强调了局部电流密度在TR触发中的关键作用。此外，基于SOC的传播模式划分，为电池系统的热蔓延阻隔设计提供了重要的边界条件参考。这些结论不仅深化了对电池失效机理的理解，也为开发基于电化学-热耦合预警算法及高安全性电池结构设计提供了坚实的理论依据。