一、概述

当今社会，人类科技水平处于高速发展的阶段，但是在发展过程中会受到能源危机的制约，这就要求有新的能源出现。目前锂离子电池已经作为一种重要的能量源被人们大范围的使用，无论是在电子通讯领域，还是在交通运输领域等，它都担当着极为重要的角色，有着广泛的应用前景。锂离子电池有很多优点，比如比容量高、寿命长、绿色无污染等。但是，在使用过程中，锂离子电池也出现了一些热安全性的问题，而这也影响了它在更多领域被更广泛的推广使用。

由于锂离子电池具有高电压、高比能量、长循环寿命、对环境无污染等卓越性能,它已在消费电子领域成为主导电源产品,受到光伏储能、核电储能、风力储能、(混合)电动汽车、飞机等产业的广泛关注,并已在上述产业中获得了一定应用。然而,锂离子电池热失控引发的火灾爆炸事故屡见报道,安全性问题成为阻碍锂离子电池在储能、动力电源产业大规模商业化应用的主要原因之一。因此,开展锂离子电池热失控与火灾危险性分析及高安全性电池体系研究,不仅可以深化对锂离子电池发生热失控、火灾根源的认识,掌握诱发锂离子电池不安全的主要原因,还可以定量明确锂离子电池发生热失控、火灾等特殊现象的行为表现及具体危害,进而在明确危险的基础上,研发高安全性电池体系,有利于提高电池的安全性,降低锂离子电池发生安全事故的可能性,保护使用锂离子电池的消费者人身和财产安全,为实现大型锂离子电池的产业化应用提供理论依据和技术支撑。

量子化学是理论化学的一个分支学科，是应用量子力学的基本原理和方法研究化学问题的一门基础科学。研究范围包括稳定和不稳定分子的结构、性能及其结构与性能之间的关系；分子与分子之间的相互作用；分子与分子之间的相互碰撞和相互反应等问题。而研究物质的组成及结构必须借助量子化学方法来计算化合物分子中的电子结构，研究形成化学键的相互作用及其它有关的微观信息。国内外都有许多化学工作者从事这方面的研究，近年来，随着计算机的发展和理论上的突破，量子化学在研究化合物结构中的应用越来越广泛。

二、本课题研究动态和发展趋势

键离子电池具有高比能、高比功率及长寿命等卓越特性，己在诸多领域得到广泛应用。然而，频发的安全事故使锂离子电池的安全性问题受到了广泛关注。从本质上讲，锂离子电池的安全性问题是热问题。不恰当的使用方式或生产缺陷等原因会导致锂离子电池在使用、存储过程中出观内部温度升高现象。高温会诱发电池材料发生一系列放热反应，反应产生的热量促使电池内部温度进一步升高而加剧放热反应速率。最终，放热反应和高温两个方面互相影响，呈现一种失控状态，即热失控，从而引起锂离子电池发生燃烧、爆炸等安全事故。

一直以来，有关锂离子电池热失控的研究主要集中在单体级別热失控的特性和影响方面随这锂离子电池技术逐渐向电动汽车、船舶等动力领域及新能源、智能微网等储能领域拓展，为获得更高的电压、能量与功率，大量锂离子电池串并联成组使用成为趋势。因而，电池模块或电池组级別的热失控问题研究就显得十分必要和迫切。近几年，波音787飞机辅助动力舱锂离子电池模块的冒烟起火事故和特斯拉Model S电动汽车的锂离子电池组起火事故让电池模块或电池组的热失控安全问题成为焦点。值得注意的是，上述事故均是由于单体电池热火控的传播导致了整个电池系统的严重损坏。热失控的传播并不是偶然现象，由于锂离子电池的热稳定性较差且可燃性高，单只电池热失控释放的巨大热量及可能导致热失控在单体电池间的传播，最终波及整个电池系统。要解决电池模块或电池组的热失控问题，就应该从热失控的传播规律研究入手，来指电池模块和电池阻的安全设计。

早期关于锂离子电池热失控在电池模块或电池组内传播特性的工作主要为计算机热模拟仿真研究。相关研究工作以小型锂离子电池模块为模拟仿真对象，通过加速绝热量热仪测量的锂离子电池单体热失控放热数据为基础建立电池模块的热失控放热模型，通过计算机软件对电池模块的热量平衡偏微分方程求解，来计算热失控过程中电池模块内个电池单体的温度分布，及温度-时间曲线等数据。以此来模拟研究热失控传播过程。Spoininz RM等以8只18650型圆柱电池组成的笔记本电池模块为研究对象，计算了模块中任意一只电池发生热失控时，模块内所有电池单体的温度-电池曲线。通过这种方式，作者研究了热失控电池发热量及木块与外界环境换热系数等因素对热失控传播的影响。研究结果表明。单体电池热失控时放热量越大，且电池模块向环境的散热情况越差，越容易引发全模块热失控的联锁反应。Kizilel R等通过计算机热模拟仿真，研究了20只18650型援助电池构成的5并4串电池模块，在空气冷却和相变材料冷却两种方式下的温升和温度分布，以及热失控在模块内的传播情况。研究结果表明，PCM冷却方式不仅可以有效控制电池模块的温升，提升模块内温度分布的一致性，还能有效抑制热失控在模块内的传播。当紧密拍不的电池模块内一只电池单体发生热失控时，在空气冷却情况下，热失控联锁反应在1800s内使传播到整个电池模块；当采用PCM冷却时，PCM优良的热量，抑制热失控单体及周围单体的温衡，从而阻止了热失控在模块间的传播。此外，Kizilel R等的研究工作还表明，在电池模块中各单体间设置1mm-2mm的间隔距离，可以有效阻止热量通过传导方式在电池单体间传递，因而即使通过空气冷却也可以及时带走热火控单体产生的热量，阻止热失控在模块内的传播。计算结果显示，在2mm和1mm的间距下，热失控电池单体只导致相邻单体的温度升高7和 9.5℃，还研究了对电池单体间导电连接条的热传导作用对热失控传播的影响进行了研究。当考虑连接条热传导时，在空气冷却条件下，无论1mm 或2 mm的单体间隔距离时热失控均会在模块内逐渐传播；相比之下，PCM冷却可以在1.5min 内有效吸收热失控单体产生的热量，成功阻止热失控的传播。

量子化学的基本原理和化学实验是密不可分的，量子化学的诞生可以全面的解决分子结构问题，量子化学已经掺透到无机化学，有机化学等领域，可以为其提供理论支撑，推动了化学各个学科的发展，同时也推动了计算化学等新型化学学科的发展。能够合理、定量而有效地解释隐藏在现象背后的原因，从而掲示其本质，在总结规律的基础上做出预示甚至设计新的分子或功能材料。对当代化学产生了深远的影响。