新能源动力电池热失控防护及设计！

在电池单体热失控安全技术方面，发展出如下技术方面突破：电解液改进，正极材料改进，隔膜改进，表面包覆，泄压阀及PTC电阻等。在电池成组热失控方面，国内外主要在如下方面展开研究：结构安全设计，BMS安全，冷却系统，主动安全技术等。

电池系统及成组结构安全设计主要包括热传播阻断设计，阀泄通道设计，PTC电阻及熔断器设计等；BMS安全包括参数检测，BMS均衡技术等；冷却系统包括空气冷却，液体冷却，相变材料冷却等；主动安全技术包括灭火，防爆设计等技术。

本文我们就聊聊锂离子电池热失控的过程及预防措施和方法，更多更深的内容，大家可以参加我们将于3月28-29日在上海举办“ATC新能源动力系统技术周暨展览会”上继续召开的《2024第四届中国动力电池安全技术峰会》将围绕动力电池安全BMS、导热散热材料、电池热管理技术、电池包壳体安全等方向进行探讨。

电池热失控都是由于电池的生热速率远高于散热速率，且热量大量累积而未及时散发出去所引起的。从本质上而言，“热失控”是一个能量正反馈循环过程：升高的温度会导致系统变热，系统变热后温度升高，又反过来让系统变得更热。不严格的划分，电池热失控可以分为三个阶段：

第1阶段：电池内部热失控阶段

由于内部短路、外部加热，或者电池自身在大电流充放电时自身发热，使电池内部温度升高到90℃～100℃左右，锂盐LiPF6开始分解；对于充电状态的碳负极化学活性非常高，接近金属锂，在高温下表面的SEI膜分解，嵌入石墨的锂离子与电解液、黏结剂会发生反应，进一步把电池温度推高到150℃，此温度下又有新的剧烈放热反应发生，例如电解质大量分解，生成PF5,PF5进一步催化有机溶剂发生分解反应等。

第2阶段：电池鼓包阶段

电池温度达到200℃之上时，正极材料分解，释放出大量热和气体，持续升温。250-350℃嵌锂态负极开始与电解液发生反应。

第3阶段：电池热失控，爆炸失效阶段

在反应发生过程中，充电态正极材料开始发生剧烈分解反应，电解液发生剧烈的氧化反应，释放出大量的热，产生高温和大量气体，电池发生燃烧爆炸。

以阻断、延缓、预防动力电池热失控为目标，众多学者基 于电池组热管理、高强度电池包结构设计等方面展开研究。

▌单体电池安全性设计

（1）隔膜设计安全性研究

提高隔膜安全性核心在于提升隔膜收缩、熔化分解的温度，增强高温条件隔绝能力，隔膜的高温隔绝能力保证隔膜微孔在高温环境封闭，阻断锂离子的流出。广泛应用的隔膜材料一般采用陶瓷涂层覆盖或其他有闭孔效应的材料。

（2）正极材料安全性研究

动力电池市场应用中最常见的锂离子正极活性材料一般为 LiCoO2、LiFePO4、LiMn2O4、LiNixCoyMnzO2 (NCM)等。采用材料覆盖正极的方式来阻断和缓解热失控副反应，提高电池循环性及热稳定性，如 ZrO2 和 AlF3。

（3）负极材料安全性研究

负极安全性提升主要通过材料涂覆或在电解液中添加添加剂提高SEI膜热稳定性。在电解液中添加液态合金 GaSnIn 来提高电池热稳定性。实验表明：制备的梯度 SEI层， 大大降低了电压极化，提高库仑效率至 99.06%。制备了一种超薄芳纶纳米纤维(ANF)膜来抑制锂枝晶生长。实验测试中 ，在 50 mA/ cm2 高电流密度环境下 ，ANF-Li | LiFePO4全电池在循环1200 次之后容量衰减至 80.2%。且其研究首次发现了纤维状的锂沉积，制备的 ANF 膜纳米级空隙促进了电解液扩散，加速了锂转运的效率，并消除了微米级锂枝晶穿透隔膜的弊端。

（4）电解液安全性研究

多数热失控事故都有电解液的参与，提高电解液安全性预防热失控非常关键。常在电解液中添加阻燃剂、固态聚合类物质或离子液体等防过充添加剂。氟化碳酸乙烯(FEC) 是最常见的电解液添加剂，其优势在于通过改变SEI 膜成分来提高负极可逆脱锂的库仑效率。以二氟硼酸锂 (LiDFOB)为主盐，在磷酸酯混合电解液中设计了双层结晶及聚合物固体电解质相间的SEI 膜。阻燃实验表明：阻燃电解液的自熄时间为 6.1 s，Li的可逆效率为 98.2%，在充放电循环 150次之后，仍保持 89.7% 电池容量。

▌动力电池系统安全防护和优化设计

（1）电池包结构优化设计

电池包结构设计及整车安装位置优化对于提升安全性至关重要。基于18650型号电池排布方式对热失控范围影响进行分类实验。实验表明：排布加热面积更大的区域点燃的时间更短，蔓延速度和范围更大。但其实验仅考虑动力电池模组整体加热而未考虑内短路导致的局部过热。当基于动力电池包的三维散热模型优化电池组设计， 并进行了散热量仿真。实验表明：优化后的锂离子电池峰值温度由 46 ℃降至 34 ℃，单体电池之间温差被控制在了 5 ℃ 以内。

（2）电池热管理系统设计

锂离子电池热敏感性强，提高低温放电效率和高温安全 性是电池热管理系统工作的核心。电池组冷却方式有液冷和风冷，特斯拉生产的电动汽车均采用液冷技术，电动公交一般采用风冷。近年研究中，如气凝胶、相变材料及混合材料由于其优秀的吸热效能，被应用于电池热管理系统。

（3）电池热失控的降温、灭火、阻断及气体引导设计

电池热失控已经无法避免时，为不波及安装位置相近的 电池，及时对热蔓延阻断降温及引导高温气体尤为重要。下图为热失控扩散的三维模型。

阻断热失控扩散的途径主要包括：阻燃介质填充、采用绝热材料对热失控电池隔离或将火焰及高温气体通过路径引导排出电池组。某研究员开发了一种如下图所示的沿电池排列、截面形状为矩形的高温气体散热管。虽然无法阻止单体电池热失控的发生，但可以有效阻止电池组局部热失控的蔓延。