锂离子电池为何会起火？基于分岔理论的锂离子电池热失控临界参数研究

随着电动汽车的普及，锂离子电池因其高能量密度、长寿命等优点成为主流动力来源。然而，在高温、碰撞等极端条件下，电池可能发生热失控，导致起火甚至爆炸。如何快速、准确地判断电池在什么条件下会失控，成为科研与工程领域的重要课题。

近日，一项发表于《Scientific Reports》的研究提出了一种基于分岔理论的定性分析方法，能够在不依赖复杂数值模拟的情况下，快速判断锂离子电池发生热失控的临界厚度，为电池安全设计与热管理提供了新思路。

热失控的链式反应机理

Millennial Lithium

锂离子电池在正常工作时有可逆的电化学反应，但在高温下，会触发一系列不可逆的放热反应，如果产热速率大于散热能力，温度将持续上升，最终引发热失控。

研究中指出了四种主要的过热放热反应，它们依次在不同温度区间被触发：

SEI膜分解反应（约 90–120°C）

负极溶剂反应（>120°C）

正极溶剂反应（>170°C）

电解质分解反应（>200°C）

锂离子电池结构与电池包示意图

传统模拟的瓶颈：计算复杂、耗时长

Millennial Lithium

目前多数研究采用基于COMSOL等的多物理场数值模拟，虽然能精确描述电池内部的温度场变化，但存在以下问题：

计算量大、耗时长；

对初始条件和数值扰动敏感；

难以高效、可靠地识别热失控的临界参数（如临界厚度、临界产热率）。

分岔理论：快速判断“安全”与“失控”的界限

Millennial Lithium

分岔理论是非线性动力学中的一种定性分析方法，用于研究系统在参数变化时稳态解的突变行为。本研究将其引入电池热失控分析中，通过建立平行模型（模拟方形电池）和圆形模型（模拟圆柱电池），研究在底部过热、顶部冷却的条件下，电池是否能够维持热平衡。

平行模型结构示意图

研究发现，随着电池厚度增加，系统会出现两个稳态温度解，分别对应“安全状态”和“潜在失控状态”。当厚度继续增大至某一临界值时，这两个解合并并消失，系统失去稳态，标志着热失控的发生。

平行模型中最大温度的分岔图

关键发现：散热越好，电池越厚

Millennial Lithium

散热能力越强，临界厚度越大

研究通过调节换热系数h模拟不同冷却条件（自然对流/强制对流），发现：

当h从 0 增加到 20 W/m²·K，临界厚度Hcr显著上升；

当h > 50 W/m²·K 后，提升散热对临界厚度的增益逐渐减小。

临界厚度随换热系数的变化

圆柱电池比方形电池更“耐热”

研究还发现，圆柱电池因其结构曲率，在相同过热条件下，其临界厚度通常大于方形电池。随着曲率增大（半径减小），临界厚度进一步上升，说明曲面结构有利于延缓热失控。

临界厚度随过热半径与曲率的变化

强制对流冷却：进一步提升安全边界

在平行模型中引入强制对流冷却后，有效换热系数heff提高，临界厚度明显上升。例如在负极溶剂反应中，当heff提高10%，临界厚度从约0.071 m 提升至0.075 m。

强制对流对临界厚度的影响

本研究通过分岔理论建立了一种快速评估锂离子电池热失控临界厚度的定性框架，具有计算效率高、物理意义明确的优点，适用于电池初步安全设计与参数筛选。

然而，该模型目前假设燃料浓度恒定，未能考虑反应物消耗对热释放的影响，因此在持续放热阶段可能高估风险。