Системы защиты высоковольтных аккумуляторных батарей транспортного применения от теплового разгона литий-ионных аккумуляторов

Введение (постановка задачи и актуальность). Мировой спрос на электрифицированные транспортные средства (ЭТС), растущий вследствие повышения удельных характеристик, государственных субсидий и снижения стоимости литий-ионных аккумуляторных батарей, повлиял на повсеместное использование электрифицированного транспорта. Несмотря на ряд преимуществ ЭТС перед транспортными средствами с традиционными энергоустановками, они имеют существенный недостаток в виде явления под названием «тепловой разгон». Тепловой разгон литий-ионного аккумулятора является необратимым процессом, вызванным химическими реакциями внутри него и сопровождающимся выделением большого количества тепла. По этой причине тепловой разгон является серьёзной проблемой в области безопасности транспортных средств, которая требует комплексного подхода для её решения.

Цель исследования – анализ возможных причин возникновения теплового разгона литий-ионных аккумуляторов, применяемых в ЭТС, и описании используемых производителями способов его предотвращения в серийно выпускаемых ЭТС.

Методология и методы. В данной статье применялись методы инженерного анализа, систематизации и синтеза.

Результаты и научная новизна. В работе рассмотрены основные виды применяемых литий-ионных аккумуляторов в высоковольтных аккумуляторных батареях ЭТС, проанализированы и описаны основные причины возникновения теплового разгона. Рассмотрены варианты противодействия тепловому разгону и снижению его последствий.

Практическая значимость заключается в рассмотрении теплового разгона как основного явления, оказывающего сильное влияние на безопасность транспортных средств, и поиске вариантов противодействия с целью снижения риска возгорания ЭТС. Результаты могут быть использованы при разработке современных литий-ионных аккумуляторных батарей.

1. Over 17 million EVs sold in 2024: record year. URL: https://rhomotion.com/news/over-17-million-evs-sold-in-2024-record-year/ (дата обращения: 05.06.2025).

2. Parodi A. EV car sales to top 20 million in 2025, research firm says. URL: https://www.reuters.com/business/autos-transportation/ev-car-sales-top-20-million-2025-research-firm-says-2025-01-28/ (дата обращения: 10.04.2025).

3. China’s auto industry achieves new milestones in 2024, with production and sales both surpassing 31 million units. URL: https://www.globaltimes.cn/page/202501/1326784.shtml (дата обращения: 18.06.2025).

4. 本周车市概述 URL: http://www.cpcaauto.com/newslist.php?types=csjd&id=3552 (дата обращения: 18.06.2025).

5. EV sales. URL: https://cleantechnica.com/tag/evsales/ (дата обращения: 20.08.2025).

6. Bakhmutov S.V., Karpukhin K.E., Terenchenko A.S., Kurmaev R.Kh., Kondrashov V.N., Sklyarinskiy S.F. Production of the vehicle experimental prototype with the Range Extender // Biosciences Biotechnology Research Asia. – 2015. – V. 12 (spl. Edn. 2). – P. 533–538. DOI: 10.13005/bbra/2230. EDN: SNRDFT.

7. Mercedes EV bursts into flames in parking lot, injuring 21 people and damaging 70 cars. URL: https://www.carscoops.com/2024/08/mercedes-ev-burst-intoflames-in-underground-parking-21-people-injured-dueto-smoke/ (дата обращения: 11.06.2025).

8. Morning Midas идёт ко дну: какие авто были на борту и что стало причиной пожара. URL: https://rg.ru/2025/06/25/morning-midas-idet-ko-dnu-kakie-avtobyli-na-bortu-i-chto-stalo-prichinoj-pozhara.html (дата обращения: 09.07.2025).

9. Chang C., Gorin C., Zhu B., Beaucarne G., Ji G., Yoshida S. Lithium-ion battery thermal event and protection: a review // SAE Int. J. Elect. Veh. – 2024. – V. 13. – Iss. 3. – Р. 2–41. DOI: 10.4271/14-13-03-0019. EDN: YXVBJN.

10. Peled E., Menkin S. Review–SEI: past, present and future // Journal of The Electrochemical Society. – 2017. – V. 164 (7). – P. A1703–A1719. DOI: 10.1149/2.1441707jes.

11. Язвинская Н.Н. Исследование теплового разгона в литий-ионных аккумуляторах // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. – 2020. – № 2. – C. 89–95. DOI: 10.17213/1560-3644-2020-2-89-95. EDN: NKZVBJ.

12. Spotnitz R., Franklin J. Abuse behavior of highpower, lithium-ion cells // Journal of Power Sources. – 2002. – V. 113. – No. 1. – P. 81–100. DOI: 10.1016/S0378-7753(02)00488-3.

13. Wang Q. et al. Thermal stability of LiPF6/ EC+DEC electrolyte with charged electrodes for lithium ion batteries // Thermochimica Acta. – 2005. – V. 437. – No. 1. – P. 12–16. DOI: 10.1016/j.tca.2005.06.010. DOI: 10.1016/j.tca.2005.06.010. EDN: KHKHQJ.

14. Wang Q. et al. Thermal behavior of lithiated graphite with electrolyte in lithium-ion batteries // Journal of the Electrochemical Society. – 2006. – V. 153. – No. 2. – P. 329–333. DOI: 10.1149/1.2139955.

15. Adenusi H., Chass G.A., Passerini S., Tian K.V., Chen G. Lithium batteries and the solid electrolyte interphase (SEI) – progress and outlook // Advanced Energy Materials. – 2023. – V. 13. – No. 2203307. DOI: 10.1002/aenm.202203307. EDN: UWYXIW.

16. Sloop S.E., Kerr J.B., Kinoshita K. The role of Li-ion battery electrolyte reactivity in performance decline and self-discharge // Journal of Power Sources. – 2003. – V. 119–121. – P. 330–337. DOI: 10.1016/S0378-7753(03)00149-6. EDN: BJEORJ.

17. Ouyang D., Chen M., Huang Q., Weng J., Wang Z., Wang J. A review on the thermal hazards of the lithiumion battery and the corresponding countermeasures // Applied Sciences. – 2019. – V. 9 (12), 2483. – P. 1–45. DOI: 10.3390/app9122483. EDN: VNYHQQ.

18. Larsson F., Andersson P., Blomqvist P., Loren A., Mellander B. Characteristics of lithium-ion batteries during fire tests // Journal of Power Sources. – 2014. – V. 271. – P. 414–420. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2014.08.0270378-7753.

19. Kim K., Ma H., Park S., Choi N.S. Electrolyte additive-driven interfacial engineering for high-capacity electrodes in lithium-ion batteries: promise and challenges // ACS Energy Lett. – 2020. – P. 1537–1553. DOI: 10.1021/acsenergylett.0c00468. EDN: LPWKDP.

20. Duan J. et al. Building safe lithium-ion batteries for electric vehicles: a review // Electrochemical Energy Reviews. – 2020. – V. 3. – No. 1. – P. 1–42. DOI: 10.1007/s41918-019-00060-4. EDN: FMMEZE.

21. Bak S.¬M. et al. Structural changes and thermal stability of charged LiNixMnyCozO2 cathode materials studied by combined in situ time-resolved XRD and mass spectroscopy // ACS Applied Materials & Interfaces. – 2014. – V. 6. – No. 24. – P. 22594–22601. DOI: 10.1021/am506712c.

22. Никифоров Д.И., Комиссаров П.В., Басакина С.С., Якунов Д.М., Иткис Д.М. Особенности теплового разгона литий-ионных аккумуляторов с предохранительным клапаном // Горение и взрыв. – 2025. – Т. 18. – № 1. – С. 3–10. DOI: 10.30826/CE25180109. EDN: KXATBH.

23. Биксалеев Р.Ш., Климов А.В., Оспанбеков Б.К., Карпухин К.Е. Об аспектах безопасности тяговых аккумуляторных батарей электрифицированных транспортных средств. Анализ факторов, влияющих на ресурс и некоторые методы его оценки // Журнал автомобильных инженеров. – 2017. – № 6 (107). – С. 26–29. EDN: YUVUDZ.

24. Shahid S., Agelin¬Chaab M. A review of thermal runaway prevention and mitigation strategies for lithiumion batteries // Energy Conversion and Management: X. – 2022. – V. 16. – P. 100310. DOI: 10.1016/j.ecmx.2022. 100310. EDN: GZWIGY.

25. Tran M.K. et al. A review of lithium-ion battery thermal runaway modeling and diagnosis approaches // Processes. – 2022. – V. 10. – No. 6. – P. 1192. DOI: 10.3390/pr10061192. EDN: EGLKDG.

26. Wang Y. et al. Challenges and opportunities to mitigate the catastrophic thermal runaway of high‐energy batteries // Advanced Energy Materials. – 2023. – V. 13. – No. 15. – P. 2203841. DOI: 10.1002/aenm.202203841. EDN: QQDBWU.

27. Chen Z. et al. Abuse-tolerant electrolytes for lithium-ion batteries // Advanced Science. – 2021. – V. 8. – No. 11. – P. 2003694. DOI: 10.1002/advs.202003694. EDN: SZDTHV.

28. Ouyang D. et al. A review on the thermal hazards of the lithium-ion battery and the corresponding countermeasures // Applied Sciences. – 2019. – V. 9. – No. 12. – P. 2483. DOI: 10.3390/app9122483. EDN: VNYHQQ.

29. Quartarone E., Mustarelli P. Review – emerging trends in the design of electrolytes for lithium and postlithium batteries // Journal of the Electrochemical Society. – 2020. – V. 167. – No. 5. – P. 050508. DOI: 10.1149/1945-7111/ab63c4. EDN: WJVWFK.

30. Feng X. et al. Thermal runaway mechanism of lithium ion battery for electric vehicles: a review // Energy Storage Materials. – 2018. – No. 10. – P. 246–267. DOI: 10.1016/j.ensm.2017.05.013.

31. Liu Z. et al. Safer lithium-ion batteries from the separator aspect: development and future perspectives // Energy & Environmental Materials. – 2021. – V. 4. – No. 3. – P. 336–362. DOI: 10.70322/gct.2024.10006. EDN: HGTCDR.

32. Pham M.T.M. et al. Prevention of lithium-ion battery thermal runaway using polymer-substrate current collectors // Cell Reports Physical Science. – 2021. – V. 2. – No. 3. – P. 100360. DOI: 10.1016/j.xcrp.2021.100360. EDN: EQYDBH.

33. Kim P.J. Surface-functionalized separator for stable and reliable lithium metal batteries: a review // Nanomaterials. – V. 11. – No. 9. – P. 2275. DOI: 10.3390/nano11092275. EDN: ZONSVM.

34. Jang J. et al. A review of functional separators for lithium metal battery applications // Materials. – 2020. – V. 13. – No. 20. – P. 4625. DOI: 10.35534/spe.2023.10003. EDN: TTCXXR.

35. Choi J.U. et al. Recent progress and perspective of advanced high-energy Co-Less Ni-Rich cathodes for LiIon batteries: yesterday, today, and tomorrow // Advanced Energy Materials. – 2020. – V. 10. – No. 42. – P. 2002027. DOI: 10.1002/aenm.202002027. EDN: WKMMHB.

36. Sun H.H. et al. Beyond doping and coating: prospective strategies for stable high-capacity layered Ni-Rich cathodes // ACS Energy Letters. – 2020. – V. 5. – No. 4. – P. 1136–1146. DOI: 10.1021/acsenergylett.0c00191?ref=pdf. EDN: NABIGG.

37. Manthiram A., Song B., Li W. A perspective on Nickel-Rich layered oxide cathodes for lithiumion batteries // Energy Storage Materials. – 2017. – No. 6. – P. 125–139. DOI: 10.1016/j.ensm.2016.10.007. EDN: XUIVEX.

38. Kim U.¬H. et al. Compositionally and structurally redesigned high-energy Ni-Rich layered cathode for nextgeneration lithium batteries // Materials Today. – 2019. – No. 23. – P. 26–36. DOI: 10.1016/j.mattod.2018.12.004.

39. Li J., Manthiram A. A comprehensive analysis of the interphasial and structural evolution over longterm cycling of ultrahigh-nickel cathodes in lithium-ion batteries // Advanced Energy Materials. – 2019. – V. 9. – No. 45. – P. 1902731. DOI: 10.1002/aenm.201902731.

40. Luo W. et al. Synthesis, Characterization, and thermal stability of LiNi1/3Mn1/3Co1/3−zMgzO2, LiNi1/3−zMn1/3Co1/3MgzO2, and LiNi1/3Mn1/3−zCo1/3MgzO2 // Chemistry of Materials. – 2010. – V. 22. – No. 3. – P. 1164–1172. DOI: 10.1021/cm902593n. EDN: OBAWQL.

41. Park G.¬T. et al. Tungsten doping for stabilization of Li[Ni0.90Co0.05Mn0.05]O2 cathode for li-ion battery at high voltage // Journal of Power Sources. – 2019. – No. 442. – P. 227242. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2019.227242.

42. Park N.¬Y. et al. Optimized Ni-Rich NCMA cathode for electric vehicle batteries // Advanced Energy Materials. – 2021. – V. 11. – No. 9. – P. 2003767. DOI: 10.1002/aenm.202003767. EDN: JWXBUI.

43. Kim U.¬H. et al. Quaternary layered Ni-Rich NCMA cathode for lithium-ion batteries // ACS Energy Letters. – 2019. – V. 4. – No. 2. – P. 576–582. DOI: 10.1021/acsenergylett.8b02499.

44. Харламенков А.С. Системы защиты ячеек и батарейных блоков с литий-ионными аккумуляторами. Часть 1 // Пожаровзрывобезопасность. – 2022. – Т. 31. – № 4. – С. 76–79. EDN: KPOESB.

45. Xu B., Kong L., Wen G., Pecht M.G. Protection devices in commercial 18650 lithium-ion batteries // IEEE Access. – 2021. – V. 9. – Р. 66687–66695. DOI: 10.1109/ACCESS.2021.3075972. EDN: NWLFPX.