工程科学学报.第43卷，第5期：663-675.2021年5月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.5:663-675,May 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.27.002;http://cje.ustb.edu.cn 三元锂离子动力电池热失控及蔓延特性实验研究 王淮斌2，)，李阳，王钦正1,3)，杜志明)，冯旭宁2)区 1)中国人民警察大学，廊坊0650002)清华大学汽车安全与节能国家重点实验室，北京1000843)北京理工大学爆炸科学与技术国家重 点实验室，北京100081 区通信作者，E-mail:nl7@mail.tsinghua.edu.cn 摘要以电动汽车车用额定容量为42Ah的三元方壳锂离子电池单体和模组为研究对象，研究其在加热条件下单体的绝 热热失控特性及成组后侧向加热热失控蔓延特性.结果表明，锂离子电池在发生热失控时，内部最高温度可达920℃，电池表 面和内部最大温差达403℃：热失控首先在迎向热流的面触发，随后蔓延至整个电池：满电状态下的锂离子电池内部热失控 蔓延时间介于8~12$：热失控蔓延过程中锂离子电池的温度特征与绝热热失控测试相比存在较大差异性；热失控喷发颗粒 物中，LF及石墨质量分数占80%以上：模组中失控电池产生的总能量中用于自身加热和喷发损失的占90%左右，热失控释 放总能量的10%足以触发热失控蔓延.本文为研究三元锂离子电池模组安全设计、热失控蔓延抑制及新能源汽车的火灾事 故调查提供了参考. 关键词锂离子电池：热失控：热失控蔓延；储能：安全性 分类号X913.4:TM911.3 Experimental study on the thermal runaway and its propagation of a lithium-ion traction battery with NCM cathode under thermal abuse WANG Huai-bin2,LI Yang,WANG Qin-zheng DU Zhi-ming,FENG Xu-ning 1)China People's Police University,Langfang 065000,China 2)State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy,Tsinghua University,Beijing 00084,China 3)State Key Laboratory of Explosion Science and Technology,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China Corresponding author,E-mail:fxn17@mail.tsinghua.edu.cn ABSTRACT Traction battery is the core component of the electric vehicle.To obtain longer driving ranges,conventional lithium-ion batteries with LiMn2O,LiCoO,and LiFePO cathodes were gradually replaced by LiNi,Co,Mn batteries.With the increasing energy density and chemical activity of the lithium-ion traction battery,its thermal stability gradually decreases and safety hazards become increasingly serious.In recent years,thermal runaway incidents with traction batteries have occurred frequently at home and abroad,seriously disturbing the development of electric vehicles.Solving the safety problems associated with thermal runaway(TR)and thermal runaway propagation(TRP)of the lithium-ion battery is urgent.In this paper,TR and its propagation behavior,associated with a 42 A-h prismatic lithium-ion battery with a LiNiCoMnO cathode for electric vehicles,were studied under thermal abuse conditions on the cell and module levels.The results indicate that the maximum temperature approaches 920 C inside the cell.The maximum temperature difference is up to 403 C within the cell during TR,and the maximum temperature rise rate inside the cell is 40 C.s.The TRP time within a lithium-ion battery is 8-12 s under 100%state-of-charge (SOC),and the duration of the vent is 14- 收稿日期：2020-10-27 基金项目：科技部国际合作资助项目(2019YFE0100200):国家自然科学基金资助项目(51706117,52076121)：2019年度警察大学实验创新 平台专项课题资助项目(2019 sycxpd0(01)三元锂离子动力电池热失控及蔓延特性实验研究 王淮斌1,2,3)，李    阳1)，王钦正1,3)，杜志明3)，冯旭宁2) 苣 1) 中国人民警察大学，廊坊 065000    2) 清华大学汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084    3) 北京理工大学爆炸科学与技术国家重 点实验室，北京 100081 苣通信作者，E-mail: fxn17@mail.tsinghua.edu.cn 摘    要    以电动汽车车用额定容量为 42 A·h 的三元方壳锂离子电池单体和模组为研究对象，研究其在加热条件下单体的绝 热热失控特性及成组后侧向加热热失控蔓延特性. 结果表明，锂离子电池在发生热失控时，内部最高温度可达 920 ℃，电池表 面和内部最大温差达 403 ℃；热失控首先在迎向热流的面触发，随后蔓延至整个电池；满电状态下的锂离子电池内部热失控 蔓延时间介于 8～12 s；热失控蔓延过程中锂离子电池的温度特征与绝热热失控测试相比存在较大差异性；热失控喷发颗粒 物中，LiF 及石墨质量分数占 80% 以上；模组中失控电池产生的总能量中用于自身加热和喷发损失的占 90% 左右，热失控释 放总能量的 10% 足以触发热失控蔓延. 本文为研究三元锂离子电池模组安全设计、热失控蔓延抑制及新能源汽车的火灾事 故调查提供了参考. 关键词    锂离子电池；热失控；热失控蔓延；储能；安全性 分类号    X913.4; TM911.3 Experimental study on the thermal runaway and its propagation of a lithium-ion traction battery with NCM cathode under thermal abuse WANG Huai-bin1,2,3) ，LI Yang1) ，WANG Qin-zheng1,3) ，DU Zhi-ming3) ，FENG Xu-ning2) 苣 1) China People’s Police University, Langfang 065000, China 2) State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy, Tsinghua University, Beijing 100084, China 3) State Key Laboratory of Explosion Science and Technology, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China 苣 Corresponding author, E-mail: fxn17@mail.tsinghua.edu.cn ABSTRACT    Traction battery is the core component of the electric vehicle. To obtain longer driving ranges, conventional lithium-ion batteries with LiMn2O4 , LiCoO2 , and LiFePO4 cathodes were gradually replaced by LiNixCoyMn1−x−yO2 batteries. With the increasing energy  density  and  chemical  activity  of  the  lithium-ion  traction  battery,  its  thermal  stability  gradually  decreases  and  safety  hazards become increasingly serious. In recent years, thermal runaway incidents with traction batteries have occurred frequently at home and abroad, seriously disturbing the development of electric vehicles. Solving the safety problems associated with thermal runaway(TR) and thermal runaway propagation(TRP) of the lithium-ion battery is urgent. In this paper, TR and its propagation behavior, associated with a 42  A·h  prismatic  lithium-ion  battery  with  a  LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 cathode  for  electric  vehicles,  were  studied  under  thermal  abuse conditions on the cell and module levels. The results indicate that the maximum temperature approaches 920 ℃ inside the cell. The maximum temperature difference is up to 403 ℃ within the cell during TR, and the maximum temperature rise rate inside the cell is 40 ℃·s−1. The TRP time within a lithium-ion battery is 8–12 s under 100% state-of-charge (SOC), and the duration of the vent is 14– 收稿日期: 2020−10−27 基金项目: 科技部国际合作资助项目（2019YFE0100200）；国家自然科学基金资助项目（51706117, 52076121）；2019 年度警察大学实验创新 平台专项课题资助项目（2019sycxpd001） 工程科学学报，第 43 卷，第 5 期：663−675，2021 年 5 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 5: 663−675, May 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.27.002; http://cje.ustb.edu.cn