熱失控是鋰離子電池最為嚴(yán)重的安全問(wèn)題，熱失控往往伴隨著起火、濃煙等嚴(yán)重的后果，對(duì)于鋰離子電池使用者的生命和財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了很大的威脅。我們對(duì)于鋰離子電池?zé)崾Э氐臋z測(cè)主要是基于電池溫度，根據(jù)我們目前的知識(shí)，熱失控的起因一般都是因?yàn)闄C(jī)械濫用、電濫用等導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量熱量，受到鋰離子電池?zé)釘U(kuò)散條件的限制，熱量大量在鋰離子電池內(nèi)部積累，引起正負(fù)極活性物質(zhì)分解、釋放活性氧，進(jìn)一步導(dǎo)致電解液的氧化分解，產(chǎn)生更多的熱量，最終引起鋰離子電池的熱失控，因此我們對(duì)于鋰離子電池安全性的控制也主要是基于對(duì)其溫度的監(jiān)控。

一般在電池組中我們都會(huì)對(duì)部分單體電池粘貼測(cè)溫電阻、熱電偶，以實(shí)時(shí)檢測(cè)電池溫度，在發(fā)現(xiàn)異常時(shí)能夠及時(shí)切斷電源，保證電池的安全。但是目前對(duì)鋰離子電池的溫度監(jiān)控主要是對(duì)其表面溫度的檢測(cè)，但是由于鋰離子電池結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)使得其在各個(gè)方向上熱傳導(dǎo)系數(shù)有很大的不同，例如英國(guó)華威大學(xué)的Thomas Grandjean等針對(duì)大尺寸的方形鋰離子電池的熱特性研究發(fā)現(xiàn)，20Ah的LFP電池在進(jìn)行10C大倍率放電時(shí)，在厚度方向時(shí)溫差最大可達(dá)到20℃，這主要受到電池內(nèi)部的熱傳導(dǎo)系數(shù)的限制，因此傳統(tǒng)的測(cè)量電池表面溫度，難以真實(shí)的反應(yīng)鋰離子電池內(nèi)部的溫度，兩者之間具有差距可能在數(shù)百攝氏度。

在解決上述問(wèn)題上人們作出了很多的努力，例如在鋰離子電池生產(chǎn)的過(guò)程中往其中加入測(cè)溫?zé)犭娮?、熱電偶等，通過(guò)一定的手段將其引出到電池外部，但是這些方法的實(shí)用性都不是很好，首先是由于測(cè)溫設(shè)備的引入難以保障電池的密封性，會(huì)對(duì)電池的性能產(chǎn)生負(fù)面的影響，其次這些測(cè)溫元件都需要電連結(jié)，對(duì)鋰離子電池的安全產(chǎn)生一定的影響，因此這些方法僅僅停留在實(shí)驗(yàn)室的階段，難以實(shí)際應(yīng)用。雖然也有美國(guó)阿爾托研究中心的Ajay Raghavan等提出采用可折疊的光纖光柵對(duì)電池內(nèi)部的壓力、溫度進(jìn)行檢測(cè)，并且解決了密封問(wèn)題，但是這些技術(shù)目前還都不成熟，實(shí)用性還都比較差。

為了解決鋰離子電池內(nèi)部核心溫度的監(jiān)控難題，美國(guó)德州大學(xué)阿靈頓分校的M. Parhizi, M.B. Ahmed, A. Jain共同提出了一種基于鋰離子電池?zé)崮Ｐ偷念A(yù)測(cè)鋰離子電池核心溫度的方法，該方法能夠在模型的幫助下，通過(guò)鋰離子電池表面的溫度推斷出其核心溫度，從而能夠幫助我們更好的對(duì)鋰離子電池進(jìn)行監(jiān)控，減少其熱失控的風(fēng)險(xiǎn)。

我們知道影響鋰離子電池核心溫度升高的因素有兩個(gè)：1）電池的產(chǎn)熱速度；2）電池的導(dǎo)熱速度。M. Parhizi根據(jù)圓柱形電池的熱特性，以及鋰離子電池在熱失控時(shí)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性，設(shè)計(jì)了一個(gè)電池核心溫度的追蹤模型，更具該模型可以實(shí)時(shí)追蹤電池的核心溫度，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該模型與實(shí)際情況符合的非常好。

考慮到傳導(dǎo)進(jìn)入、傳導(dǎo)出去和電池內(nèi)部產(chǎn)生、儲(chǔ)存的熱量，可以獲得下列熱傳導(dǎo)公式

其中邊界條件為下式所示，并且我們假設(shè)我們能夠獲得在電池的表面（r=R）處在時(shí)間t時(shí)的溫度T0（t）（測(cè)量獲得）。

通過(guò)對(duì)上式進(jìn)行求解發(fā)現(xiàn)，電池的核心溫度由電池產(chǎn)熱速度決定的溫度T1（0，t）和由電池表面的溫度決定的T2（0，t）所組成，如下式所示。因此想要獲取電池的核心溫度數(shù)據(jù)，我們需要知道電池的產(chǎn)熱模型和電池的熱特性。產(chǎn)熱模型我們可以用Arrhenius公式進(jìn)行計(jì)算，而電池的熱特性參數(shù)例如導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等數(shù)據(jù)都可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得，因此我們可以利用上面的模型對(duì)電池的核心溫度進(jìn)行觀測(cè)。

Tcore（t）=T1（0，t）+T2（0，t）

為了驗(yàn)證上述模型的有效性，M.Parhizi利用特殊設(shè)計(jì)的26650電池進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。下圖為在產(chǎn)熱速度Q0保持恒定下，活化能Ea發(fā)生變化的情況下，分析模型預(yù)測(cè)的溫升趨勢(shì)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，其中直線代表的為模型預(yù)測(cè)結(jié)果，空心點(diǎn)代表的為試驗(yàn)數(shù)據(jù)。從圖上可以看到模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果符合的非常好，兩者之間最大的偏差僅為1%左右。

下圖為活化能Ea保持恒定，但是產(chǎn)熱速率Q0發(fā)生改變的情況下，模型預(yù)測(cè)的溫升速度與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的對(duì)比，同樣的模型預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果符合的非常好，最大偏差僅為1.2%。

上述的測(cè)試表明M.Parhizi設(shè)計(jì)的模型與實(shí)際的試驗(yàn)結(jié)果符合的非常好，能夠高精度的預(yù)測(cè)電池內(nèi)的核心溫度。在預(yù)測(cè)鋰離子電池?zé)崾Э剡^(guò)程中核心溫度升高時(shí)，我們需要對(duì)其在熱失控過(guò)程中的產(chǎn)生總熱量進(jìn)行計(jì)算，下表總結(jié)了在熱失控過(guò)程中鋰離子電池內(nèi)部各種反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量，以及它們的觸發(fā)溫度。

下圖展示了鋰離子電池核心溫度（計(jì)算）與電池表面溫度的變化曲線，從圖上我們可以注意到，在前600s，電池表面溫度是要高于其核心溫度的，這主要是因?yàn)殡姵爻跗诘臏囟缺容^低，因此熱量會(huì)從表面向電池的核心傳導(dǎo)。但是隨著電池溫度的上升，化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生熱量的增加，電池核心溫度開(kāi)始快速上升，在發(fā)生熱失控時(shí)電池核心的最高溫度，要比表面的最高溫度高出了400攝氏度左右。

下圖為18650NMC（Li (Ni0.45 Mn0.45 Co0.10)O2）電池在熱失控過(guò)程中核心溫度與表面溫度的變化曲線，從圖上可以看到，由于前期產(chǎn)熱速度較低，因此該電池的核心溫度與表面溫度非常接近，但是當(dāng)溫度升高到一定的溫度時(shí)，由于更多的副反應(yīng)開(kāi)始發(fā)生，產(chǎn)熱速率大大增加，因此核心溫度快速升高到1000攝氏度以上，遠(yuǎn)高于電池表面的溫度升高。

下圖a為鋰離子電池在不同的熱導(dǎo)率條件下，電池核心溫度曲線，從圖上我們可以注意到電池的熱導(dǎo)率變化10%，核心溫度的變化僅為2%，可見(jiàn)兩者之間并沒(méi)有很強(qiáng)的相關(guān)性。下圖b為電池具有不同的比熱容的情況下，電池核心溫度的變化曲線，電池的比熱容變化10%，電池的核心溫度變化為7%，具有很強(qiáng)的相關(guān)性。

在發(fā)生熱失控時(shí)電池核心的溫度會(huì)比電池表面的溫度高出數(shù)百攝氏度，因此電池表面的溫度變化并不能準(zhǔn)確的反應(yīng)鋰離子電池內(nèi)部的溫度變化，而M. Parhizi開(kāi)發(fā)的這套預(yù)測(cè)模型，能夠借助電池表面的溫度和電池?zé)崽匦?、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)其核心溫度進(jìn)行精準(zhǔn)的計(jì)算和預(yù)測(cè)，該方法不需要在電池內(nèi)部置入熱電偶等設(shè)備，不增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，因此在實(shí)際中具有非常好的應(yīng)用前景。