隨著“雙碳目標(biāo)”的不斷深入，鋰離子電池在交通電動(dòng)化、電化學(xué)儲(chǔ)能等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。然而，熱失控導(dǎo)致的起火和爆炸事故仍然是制約鋰離子電池大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸。數(shù)值模擬是研究熱失控行為的重要手段，但該方法目前還面臨著熱失控及燃爆后果模型不完善、計(jì)算效率低等諸多問題。為此，本文總結(jié)了鋰離子電池?zé)崾Э啬Ｐ妥钚碌难芯窟M(jìn)展與面臨的挑戰(zhàn)，以期為下一代熱失控模型的發(fā)展提供指導(dǎo)和建議。

圖1 熱失控模型為鋰離子電池安全應(yīng)用保駕護(hù)航

一、為什么需要熱失控模型？

研究鋰離子電池的熱失控行為能夠幫助我們理解該現(xiàn)象潛在的發(fā)生機(jī)制和致災(zāi)過程，這對(duì)于提升電池的安全性至關(guān)重要。相較于實(shí)驗(yàn)研究，熱失控?cái)?shù)值模擬技術(shù)不受經(jīng)濟(jì)成本、時(shí)間成本和實(shí)驗(yàn)潛在安全風(fēng)險(xiǎn)的限制，能夠獲得不同物理參數(shù)詳細(xì)的分布特征和傳遞特征，具有巨大優(yōu)勢。在工業(yè)領(lǐng)域，基于熱失控模擬技術(shù)的新研究和新應(yīng)用也正不斷出現(xiàn)，在電池的設(shè)計(jì)、運(yùn)行、回收、事故等場景中發(fā)揮著重要作用（圖2）。

圖2 熱失控模型在鋰離子電池的設(shè)計(jì)、運(yùn)行、回收、事故等場景中的應(yīng)用

二、如何開發(fā)熱失控模型？

鋰離子電池?zé)崾Э厣婕皞鳠帷㈦娀瘜W(xué)、力和流體運(yùn)動(dòng)等多種物理現(xiàn)象。開發(fā)多物理場耦合的熱失控模型，有助于捕捉不同物理場之間的相互作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱失控行為更加精準(zhǔn)的模擬。鋰離子電池的多物理場建模包含四類最基本的模型，分別為熱模型、電模型、力學(xué)模型和流體動(dòng)力學(xué)模型（圖3）。

熱模型是熱失控建模的基礎(chǔ)，用來解決電池的化學(xué)產(chǎn)熱、熱量傳遞、溫度變化等問題。其中，確定分解反應(yīng)的放熱是準(zhǔn)確預(yù)測電池溫度的關(guān)鍵，這通常采用基于Arrhenius定律的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型來描述。但模型中所涉及的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)依賴于大量的量熱測試來進(jìn)行擬合和標(biāo)定。因此，為了提高模型的精度和開發(fā)效率，迫切需要發(fā)展魯棒性高、成本低的參數(shù)識(shí)別方法。

電模型用來描述電池的電壓、電流等電氣參數(shù)，常用的模型包括電化學(xué)模型和等效電路模型。在多物理場耦合熱失控模型中，電模型通常起到橋梁作用：通過應(yīng)力狀態(tài)與力學(xué)模型耦合，通過焦耳熱生成與熱模型耦合。

力學(xué)模型用來預(yù)測熱失控過程中的多種力學(xué)現(xiàn)象。首先，力學(xué)模型能夠耦合熱模型和內(nèi)部短路模型，揭示電池從機(jī)械損傷到熱失控發(fā)生的潛在機(jī)制。同時(shí)，力學(xué)模型還能耦合流體動(dòng)力學(xué)模型，描述電池內(nèi)部壓力變化導(dǎo)致的外殼膨脹和安全閥破裂。

熱失控同時(shí)還伴隨著氣體的生成、釋放和燃燒，這些過程需要流體動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行描述。受制于計(jì)算效率，目前的流體動(dòng)力學(xué)模型多關(guān)注于單體電池層級(jí)的熱失控行為，因此，如何提高大尺度空間下熱失控模型的計(jì)算效率仍然是需要解決的重要問題。

圖3 多物理場耦合熱失控模型的基本框架

三、如何提高熱失控模型的計(jì)算效率？

數(shù)值和計(jì)算方法的優(yōu)化是加速熱失控仿真的重要手段，這包括自適應(yīng)網(wǎng)格、高效的離散格式、云計(jì)算、并行計(jì)算等優(yōu)化策略。此外，模型降階能夠通過降維或參數(shù)簡化的方法，將大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)近似為小規(guī)模簡單系統(tǒng)，以快速捕捉電池的熱失控及傳熱特征。在電池模組層級(jí)，基于熱阻網(wǎng)絡(luò)的降階模型已成功應(yīng)用于熱失控傳播行為的模擬（圖4）。

隨著人工智能（AI）的發(fā)展，機(jī)器學(xué)習(xí)已被應(yīng)用于電池?zé)峁芾砗蛪勖A(yù)測，但在熱失控建模領(lǐng)域還處于起步階段。我們總結(jié)了三類機(jī)器學(xué)習(xí)與熱失控預(yù)測相融合的建模策略：基于參數(shù)的機(jī)器學(xué)習(xí)建模、基于場的機(jī)器學(xué)習(xí)建模、物理約束的機(jī)器學(xué)習(xí)建模（圖4）。應(yīng)當(dāng)注意的是，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的熱失控模型存在著解釋性不足、依賴高精度數(shù)據(jù)等問題。因此，我們建議把機(jī)器學(xué)習(xí)模型視為多物理耦合熱失控模型的補(bǔ)充，而不是替代。

圖4 熱失控仿真的加速策略

四、總結(jié)與展望

鋰離子電池?zé)崾Э啬Ｐ蛯?duì)于理解熱失控的發(fā)生機(jī)制和保障電池的安全應(yīng)用具有重要意義。本文圍繞“為什么需要熱失控模型？如何開發(fā)熱失控模型？怎樣提高模型的計(jì)算效率？”等一系列關(guān)鍵問題，總結(jié)了熱失控建模當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展方向。隨著鋰離子電池應(yīng)用場景的日益復(fù)雜，需要進(jìn)一步推動(dòng)熱失控模型朝著更高精度、更高效率、更高拓展性的方向發(fā)展。

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