中國儲能網(wǎng)訊：本文亮點：(1) 綜述了電池熱失控放熱升溫特性和排氣燃燒特性；(2) 綜述了熱失控傳播路徑，熱失控觸發(fā)方式、電池模組結構和環(huán)境等因素對電池模組中熱失控傳播的影響；(3) 綜述了不同電池熱管理技術對熱失控及熱失控傳播的抑制效果。
鋰離子電池以其能量密度高、生命周期長和自放電率低等優(yōu)點，被廣泛應用于電動汽車、儲能電站等諸多領域。近年來，鋰離子電池安全事故頻發(fā)，尤其是高比能鋰離子電池的安全性，是制約其發(fā)展的瓶頸問題。鋰離子電池熱失控機理、熱失控傳播特性、抑制熱失控傳播策略等是提高電池安全性的重要研究領域。因此，本文介紹了鋰離子電池熱失控的鏈式放熱副反應導致電池內(nèi)部產(chǎn)熱、升溫、產(chǎn)氣及排氣過程，分析了鋰離子電池熱失控過程熱量在電池模組中的傳播路徑，總結了熱失控觸發(fā)方式、電池連接方式、電池排列方式、環(huán)境條件、電池正極材料、電池充電倍率、電池間距和電池荷電狀態(tài)等因素對電池熱失控傳播特性的影響，重點分析了空氣冷卻、液冷板冷卻、浸沒式冷卻、相變材料、高導熱材料、隔熱材料和多種熱管理技術組合等策略抑制鋰離子電池的熱失控傳播的效果。在此基礎上，本文對鋰離子電池熱失控傳播機理、仿真和抑制策略提供了方向和思路，對提升鋰離子電池的安全性，促進電化學儲能技術的發(fā)展與應用具有重要意義。
能源短缺與環(huán)境污染是亟待解決的熱點問題。提高可再生能源的消納比例是緩解能源危機、解決環(huán)境問題的重要措施。鋰離子電池具有高能量密度、長生命周期和低放電率等優(yōu)點，在電動汽車和儲能電站等領域得以廣泛應用，從而能有效提高可再生能源的利用比例。然而，近年來鋰離子電池安全事故頻發(fā)，電池熱失控引起的火災和爆炸嚴重威脅人們的生命財產(chǎn)。因此，研究鋰離子電池的熱失控機理、熱失控傳播特性以及熱失控抑制策略對提高鋰離子電池安全性，促進鋰離子電池電化學儲能技術發(fā)展具有重要意義。
本文首先介紹了鋰離子電池熱失控的鏈式反應，熱失控傳播導致電池模組或電池包內(nèi)其余電池發(fā)生熱失控，總結了熱失控傳播的路徑，以及電池觸發(fā)方式、電池連接方式、電池排列方式和環(huán)境條件等因素對電池熱失控傳播影響特性。通過對熱失控傳播抑制策略及其研究進展進行總結，能夠有效為抑制鋰離子電池熱失控及其傳播過程提供方向和思路，對促進鋰離子電池安全性具有指導意義。
1 鋰離子電池熱失控
鋰離子電池內(nèi)部鏈式放熱副反應被觸發(fā)后，電池溫度逐漸升高，并最終誘發(fā)電池熱失控。以三元鋰離子電池[Lix(Ni0.8Co0.15Al0.05)O2-graphite]的熱失控鏈式放熱副反應為例，具體反應過程包括：負極固體電解質(zhì)界面(solid electrolyte interface, SEI)膜分解、電解質(zhì)溶劑與負極中的插層鋰反應、正極電解質(zhì)界面層(cathode electrolyte interface, CEI)分解、正極分解釋氧與電解液溶劑反應、正極分解釋氧與負極反應、內(nèi)短路放熱反應、電解液(LiPF6等)分解產(chǎn)物與負極之間的反應，正極和黏結劑之間的反應等。此外，熱失控具有三個特征溫度，自產(chǎn)熱起始溫度(T1，溫升速率大于0.02 ℃/min，一般由SEI膜分解導致)，熱失控觸發(fā)溫度(T2，溫升速率達到1 ℃/s，隔膜受損內(nèi)短路反應/負極表面析鋰/正極材料釋氧導致)和最高溫度(T3)。此外，熱失控過程中，鏈式反應產(chǎn)生的高溫氣體會導致電池內(nèi)部壓力過大，當電池內(nèi)部壓力大于電池排氣閥臨界壓力后，包含固-液-氣三相的混合物從電池內(nèi)向外噴發(fā)。氣體噴射產(chǎn)物主要含有二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、氫氣(H2)、碳氫化合物和電解質(zhì)蒸氣等，其中大多是可燃物。固體顆粒中C(碳)為主要元素，是火災的重要點火源。
2 鋰離子電池熱失控傳播路徑及其影響因素
鋰離子電池單體的熱失控引起其他電池單體發(fā)生熱失控的現(xiàn)象為電池熱失控傳播。為了揭示熱失控傳播路徑，并充分了解影響熱失控傳播特性主要因素，國內(nèi)外學者進行了大量研究，以期對電池模組到電池系統(tǒng)的安全設計提供技術支持和理論指導。在本節(jié)中，介紹了鋰離子電池模組中傳熱路徑，總結了熱失控觸發(fā)方式、電池模組結構和環(huán)境條件等主要因素對熱失控傳播特性的影響。
2.1 鋰離子電池熱失控傳播路徑
熱失控傳播傳熱路徑包括通過電池外殼和連接器的熱傳導、通過高溫氣體的熱對流以及通過火焰和熱失控電池表面的熱輻射。Song等發(fā)現(xiàn)超過75%的鏈式反應熱量用于加熱電池本身，大約20%的鏈式反應熱量通過噴射物帶走，而小于10%的鏈式反應熱量會引發(fā)相鄰電池進入熱失控。對于間距為2 mm的圓柱電池，如圖1(a)，加熱器功率越大，電池之間輻射傳熱比通過空氣對流熱更重要。在無間距的方形電池模組中，如圖1(b)，F(xiàn)eng等發(fā)現(xiàn)通過電池連接器傳遞的熱量約為通過電池外殼傳遞熱量的1/10，引發(fā)相鄰電池熱失控所需要熱量主要為通過電池殼體的熱傳導。對于電池模組中的側板，熱量從熱失控電池傳導到側板，約40.8%的熱量通過側板流入相鄰電池。在半封閉空間中，如圖1(c)，頂板限制了火焰形狀，使火焰對電池的輻射熱通量得到增強。在密閉空間中，如圖1(d)，氧氣供應不足導致可燃氣體的燃燒效率低，而高溫過熱氣體的積聚增強了氣體對電池的對流換熱量。
圖1 熱失控傳播路徑。(a) 間距2 mm，加熱器誘導電池熱失控的傳熱路徑；(b) 串聯(lián)的方形電池模組的傳熱路徑；(c) 半封閉空間中的頂板的傳熱路徑；(d) 封閉空間中的傳熱路徑
2.2 鋰離子電池熱失控傳播影響因素
2.2.1 熱失控觸發(fā)方式
如圖2，熱失控的觸發(fā)方式影響熱失控的傳播特性。鋰離子電池熱失控觸發(fā)方式包括機械濫用(針刺、擠壓等)、電濫用(外部短路、過充電、過放電等)和熱濫用(高低溫環(huán)境、側向加熱等)，且GB 38031—2020中推薦了針刺和側向加熱兩種觸發(fā)方式作為熱失控傳播實驗的可選方法。Jin等研究了7種加熱功率對電池模組熱失控傳播特性的影響，研究發(fā)現(xiàn)，預熱效應是加速熱失控傳播的主要原因。Lai等對比了針刺、過充和加熱三種觸發(fā)方式下電池模組的熱失控傳播特性，研究表明，在熱失控傳播初期，熱失控傳播時間和觸發(fā)溫度差異明顯，然而，在熱失控傳播后期，這些差異會逐漸消除。此外，電池的正極材料、充電倍率、電池間距和荷電狀態(tài)等因素在熱失控觸發(fā)方式中影響熱失控傳播特性。Sch圖片berl等對比NCM811和LFP正極的電池熱失控傳播特性，熱失控通過針刺觸發(fā)，研究表明，NCM811電池模塊的傳播速度比LFP模塊的傳播速度快5倍。Hu等研究了不同充電倍率(0.5C/1C/2C/3C)對熱失控傳播特性的影響，熱失控通過加熱器加熱觸發(fā)，研究表明，隨著充電倍率的提高，電池模組的熱失控傳播時間明顯縮短。Zhu等研究了10 Ah的NCM軟包電池在不同荷電狀態(tài)SOC(state of charge，荷電狀態(tài))和間距下對熱失控傳播特性的影響，熱失控由加熱器加熱觸發(fā)，研究表明，熱失控的傳播時間隨著SOC的增加或間距的減少而縮短，SOC對熱失控噴射行為的影響大于電池間距。
圖2 熱失控觸發(fā)方式
2.2.2 鋰離子電池模組結構
2.2.2.1 電池連接方式
多個電池單體按照串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)的方式組合成為了電池模組。串聯(lián)(S)為熱失控傳播提供了導熱途徑，并聯(lián)(P)為熱失控傳播提供了導熱和導電途徑。電池連接方式影響熱失控的傳播特性。如圖3(a)所示，Lamb等在圓柱形電池模組中對比了10S1P和1P10S兩種連接方式下的熱失控傳播特性，電池熱失控由針刺觸發(fā)，研究表明，圓柱電池由于接觸有限而不易熱傳導，10S1P電池模塊內(nèi)沒有發(fā)生熱失控傳播，而1S10P電池模塊在電池觸發(fā)熱失控后幾分鐘內(nèi)發(fā)生了熱失控傳播，并聯(lián)連接導致了更強的傳播。如圖3(b)所示，Niu等研究了具有3 mm間隙的線性排列的18650圓柱形電池上的熱失控傳播特性，電池熱失控由加熱器加熱觸發(fā)，研究表明，與開路模塊相比，平片連接可能導致外部短路，加速熱失控傳播，非平片連接更容易引發(fā)爆炸。如圖3(c)所示，Xu等使用12個沒有連接的電池及具有3P4S和4P3S連接的模塊進行了熱失控傳播實驗研究，研究表明，在三組實驗中熱失控的傳播速度先降低后加快，不同實驗之間具有相似的最高溫度和熱失控傳播時間表明電力轉(zhuǎn)移對傳播影響不大，軟包電池間大面的熱傳導是熱失控傳播的主要傳熱路徑。Huang等在電池單體間距3 mm的方形電池模組中研究了不同連接方式對熱失控傳播特性的影響，研究表明，開路、串聯(lián)和并聯(lián)三種的熱失控傳播時間平均值分別為618 s、512 s和391 s。
圖3 電池連接方式 (a) 圓柱電池的10S1P和1P10S對比；(b) 圓柱電池中的兩種連接片；(c) 開路、3P4S和4P3S三組實驗對比；(d) 并聯(lián)對熱失控的影響
此外，并聯(lián)影響了電池的熱失控特性，如圖3(d)所示，Zhou等研究了并聯(lián)對電池熱失控的影響，研究表明，并聯(lián)電池間傳輸?shù)碾娏е聼崾Э剡^早發(fā)生，并聯(lián)電池的局部熱失控首先發(fā)生在電池極耳附近的區(qū)域，然后傳播到整個電池。
2.2.2.2 電池排列方式
縱向排列是鋰離子電池常見的排列方式，下層熱失控電池主要通過高溫煙氣的熱對流和射流火焰的熱輻射影響熱失控在縱向上的傳播。如圖4(a)所示，F(xiàn)ang等研究了垂直間距和SOC對熱失控傳播的影響，研究表明，下部熱失控電池產(chǎn)生的火焰主導了傳熱，增加垂直間距或減少SOC會減緩熱失控的傳播。如圖4(b)所示，Zhou等在不同連接方式的電池模塊中研究了水平和垂直熱失控傳播行為，研究表明，下部電池模塊電池單體依次經(jīng)歷熱失控，而上層模塊多電芯同時發(fā)生熱失控，且上層模塊的最高溫度高于下部模塊。對于電池模組間的熱失控傳播，如圖4(c)，Wang等研究發(fā)現(xiàn)，電池系統(tǒng)表現(xiàn)出三種熱失控傳播模式：順序傳播、同步傳播和倒序傳播三種模式，其中同步傳播對電池造成的損壞最嚴重。
圖4 電池排列方式 (a) 圓柱電池的垂直排布；(b) 方形電池的水平和垂直排布；(c) 電池模組垂直方向上的排布；(d) 電池的線性和磚形排布
此外，電池的排列設計可以提高系統(tǒng)的安全性。如圖4(d)所示，Wang等研究了兩種電池模塊配置的熱失控傳播特性，研究表明，與線性排列相比，磚形排列可以提高系統(tǒng)停止熱失控傳播的能力。
2.2.3 環(huán)境條件
隨著鋰離子電池越來越多地應用在高原、飛機和航天器等低壓場景，低氣壓下的電池安全已成為一個新話題，環(huán)境溫度也會影響熱失控的傳播特性。對于單體電池熱失控，低大氣壓可以延長電池的著火時間，降低電池燃燒強度，如圖5(a)，隨著環(huán)境壓力的降低電池表面溫度大幅下降。對于熱失控傳播，Liu等研究了18650電池(正極材料NCM523)環(huán)境壓力(0.1~100 kPa)對熱失控傳播的影響，研究表明，如圖5(b)所示，電池模組在開路下熱失控傳播速率隨環(huán)境壓力降低而減??；電池模組在并聯(lián)下，如圖5(c)所示，隨著環(huán)境壓力的降低，熱失控傳播速率首先增加到最大值，然后略有下降，環(huán)境壓力在60 kPa(環(huán)境溫度在33 ℃)時，熱失控傳播時間最短。Jia等對比了分析了兩種正極材料18650電池模組在95、70和35 kPa環(huán)境壓力條件下的熱失控傳播行為，如圖5(d)所示，研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)境壓力的降低促進了LFP模塊的熱失控傳播，但對NCM523模塊有抑制作用。進一步研究不同材料的鋰離子電池在低壓下的熱失控傳播特性，將有助于增加鋰離子電池在應用中的安全性。
圖5 環(huán)境因素 (a) 環(huán)境壓力對電池單體表面溫度的影響；(b) 電池開路下，電池熱失控傳播速率 ；(c) 電池并聯(lián)下，熱失控傳播速率；(d) LFP和NCM523的熱失控傳播速率
3 鋰離子電池熱失控傳播抑制
鋰離子電池對溫度非常敏感，為了確保電池以最佳性能運行，單體電池溫度范圍要求在15~40 ℃，單體電池之間的最大溫差不超過5 ℃。電池熱管理系統(tǒng)嚴格控制了電池的溫度，并保證了鋰離子電池能夠以最佳性能運行工作?；陔姵責峁芾硐到y(tǒng)對電池溫度的控制，研究人員開展了電池熱管理系統(tǒng)抑制熱失控傳播的研究。如圖6所示，本節(jié)總結了空氣冷卻、液體冷卻、相變材料、其他(高導熱材料和隔熱材料)及組合熱管理技術對熱失控傳播抑制的影響。
圖6 熱管理抑制熱失控傳播 (a) 空氣冷卻；(b) 液冷板冷卻；(c) 浸沒式冷卻；(d) 相變材料；(e) 高導熱材料；(f) 氣凝膠隔熱材料；(g) 風冷與浸沒式液冷的組合；(h) 相變材料、氣凝膠和液冷板間的組合；(i) 相變材料和氣凝膠的組合；(j) 高導熱材料與氣凝膠的組合
3.1 空氣冷卻
空氣冷卻以空氣為冷卻介質(zhì)，具有結構簡單、制造和維護成本低等優(yōu)點?？諝饫鋮s通過空氣的流動帶走熱失控電池的熱量，但效率較低；另一方面，空氣冷卻可以削弱熱失控電池排氣后發(fā)生燃燒爆炸的風險。Wang等研究了縱風對熱失控的影響，圓柱電池熱失控由加熱器加熱觸發(fā)，實驗研究表明，縱風降低了電池溫度及溫升速率，且當風速超過4.5 m/s時電池排氣后沒有火焰產(chǎn)生。Wang等研究了通風率對熱失控傳播的影響，仿真研究表明，提高通風率可以減少排放氣體的最大濃度從而減少氣體爆炸的危險。
3.2 液體冷卻
液體冷卻是以液體為冷卻介質(zhì)，利用冷卻液帶走電池產(chǎn)生的熱量，液體冷卻的熱管理效果優(yōu)于空氣冷卻。根據(jù)冷卻液與電池的接觸方式可分為間接液冷和直接液冷。
3.2.1 間接液冷
在間接液冷系統(tǒng)中，冷卻液不直接接觸電池，而是通過在板中的流動間接冷卻電池。液冷板系統(tǒng)可以帶走熱失控電池副鏈式反應熱量，從而抑制熱失控傳播，但這將消耗大量的功。在抑制單體熱失控時，如圖7(a)所示，Mohammed等設計了一種內(nèi)部交錯布置導熱針的液冷板，仿真結果表明，該冷板在電池正常運行及抑制電池熱失控時的壓降分別為75 Pa和54 kPa。如圖7(b)所示，Xu等研究了微通道冷板對鋰離子電池熱失控的影響，仿真結果表明，流速在10 L/min時，微通道冷卻系統(tǒng)仍然無法防止由針刺觸發(fā)的熱失控，但可以抑制熱失控的傳播。如圖7(c)所示，Ke等研究了蛇形通道液冷對熱失控行為的影響，實驗研究表明，在冷卻液流速達到96 L/h時，方可抑制熱失控的傳播。
圖7 液冷板冷卻 (a) 帶有針肋的液冷板；(b) 微通道液冷板；(c) 蛇形通道液冷板；(d) 波浪形液冷管
此外，電池熱失控觸發(fā)后，液冷板系統(tǒng)快速反應有利于熱失控傳播的抑制。如圖7(d)，Puneet等研究表明，電池觸發(fā)熱失控后，當系統(tǒng)將流速增加3倍(0.4 m/s)與增加1倍(0.2 m/s)相比，0.4 m/s的流速使熱失控相鄰電池的溫度快速下降且峰值溫度較低。
3.2.2 直接液冷
直接液冷也稱為浸沒式液冷。浸沒液具有電絕緣、無毒、化學穩(wěn)定性好等特點。浸沒液既能夠吸收熱失控產(chǎn)熱降低電池溫度也能夠抑制燃燒。Bai等研究了10#變壓器油對熱失控的影響，實驗研究表明，125 Ah的LFP方形電池在1C過充電觸發(fā)熱失控后峰值溫度達到280 ℃，而流動的變壓器10#油抑制了熱失控且該油溫度低于50 ℃。Wu等研究了硅油對熱失控傳播的影響，研究表明，與液冷板冷卻系統(tǒng)相比，即使硅油在沒有流動的情況下硅油浸沒冷卻系統(tǒng)更好地抑制了電池熱失控的傳播。Zhou等研究了Novec 649對熱失控傳播的影響，實驗研究表明，60 Ah的NCM622軟包電池在過充觸發(fā)后熱失控表面溫度達到183.9 ℃，與沒有浸沒的電池模組相比，浸沒式冷卻系統(tǒng)大幅降低了熱失控電池溫度，阻止了電池的燃燒，阻斷了熱失控的傳播。
3.3 相變冷卻
相變材料(phase change material，PCM)具有無額外能耗和維護成本低等優(yōu)點。PCM能夠吸收熱失控電池的鏈式反應熱，然而，有機PCM容易燃燒，被點燃的PCM會加劇熱失控的火災，擴大電池模塊的火災危險，這限制了有機PCM的進一步應用。對此，研究人員通過在有機PCM中添加阻燃劑抑制PCM的燃燒。在抑制熱失控觸發(fā)中，Dai等在石蠟中添加了氫氧化鋁和氫氧化鎂(1∶1)混合物阻燃劑，實驗表明，該材料延遲了3.4 Ah的NCA 18650電池熱失控觸發(fā)時間401 s。Huang等在石蠟中添加了聚磷酸銨、磷酸和氧化鋅(10∶9∶1)組成的復合阻燃劑，研究表明，該材料能夠吸收和傳遞熱失控電池的熱量，有效抑制了熱失控傳播。Chen等在石蠟中添加了以磷酸銨、三聚氰胺和季戊四醇(10∶6∶3)混合的阻燃劑，該材料延遲了10 Ah三元軟包電池熱失控傳播時間約90 s。
阻燃劑的使用雖然降低了無機PCM的可燃性，但限制了相變材料的潛熱，并對材料的力學性能、PCM熔融和凝固相變溫度產(chǎn)生影響。為此，研究人員在有機PCM表面添加阻燃涂層。Virendra等在PCM壁上引入了低導熱率的熱襯里涂層，研究表明，復合材料增加了電池熱失控傳播時間。Liu等實驗表明，阻燃涂層在保持熱物理特性的同時具有出色的阻燃效果。
此外，與有機PCM相比，無機PCM具有不可燃的特點。Cao等研究表明三水乙酸鈉/膨脹石墨復合無機PCM抑制了2.6 A的NCA18650電池熱失控的傳播。Ping等合成了二氧化硅封裝十二水磷酸氫二鈉的材料，實驗研究表明，該材料延遲了3.2 Ah的NCR18650單體熱失控的觸發(fā)495 s，并抑制了熱失控的傳播。
3.4 其他熱管理技術
3.4.1 高導熱材料
高導熱材料作為電池之間的間隙材料，通過增強電池模組內(nèi)的散熱以減輕熱失控傳播。在小型電池模組添加高導熱材料可以抑制熱失控的傳播，但大型的或高比能量的電池模組，高導熱材料將導致重量、成本和體積的增加。Yuan等比較了空氣、鋁板、石墨復合板和鋁擠壓板四種間隙材料的緩解熱失控傳播效果，結果表明，石墨復合板可以防止熱失控的傳播，鋁擠壓板在抑制熱失控傳播方面表現(xiàn)最佳。Li等研究了鋁板對緩解熱失控傳播的影響，研究表明，鋁板的厚度、熱質(zhì)量及鋁板與電池之間的接觸熱阻是抑制熱失控傳播的關鍵參數(shù)。Jinyong等研究了底部鋁板對電池熱失控傳播的緩解效果，在相同熱質(zhì)量鋁板下，使用底板有助于緩解1S5P模塊的熱失控傳播，間隙側板和底板的連接使熱失控電池熱量在系統(tǒng)的更大范圍內(nèi)散失，但在1S3P模組下，底板將對緩解熱失控的傳播沒有幫助。
3.4.2 隔熱材料
隔熱材料作為電池之間的間隙材料，可以大幅度地延遲電池單體之間的傳熱，以減輕熱失控傳播。隨著單體電池能量密度的提升，應同時關注隔熱材料的低導熱性和高溫穩(wěn)定性。Yang等以聚氨酯泡沫為基準材料，對比了增添阻燃劑、膨脹涂層、防火墻及三種耦合構成的復合材料的隔熱性，研究表明，帶有防火墻、膨脹材料和阻燃添加劑的聚氨酯泡沫完全緩解了熱失控的傳播。Yu等對比了氣凝膠、聚酰亞胺泡沫和云母帶復合絕緣棉的熱失控傳播抑制能力，結果表明，280 Ah的LFP方形鋰離子電池熱失控期間表面溫度約515 ℃，在1 mm厚度下僅氣凝膠成功阻止了熱失控的傳播。Liu等對比了陶瓷纖維氣凝膠、玻璃纖維氣凝膠、預氧化絲氣凝膠和二氧化硅氣凝膠的阻斷傳熱性能，研究表明，7 Ah的LCO軟包電池在3C過充觸發(fā)熱失控下表面溫度達到590 ℃，低導熱材料可以將受保護電池表面溫度控制在200 ℃以下，預氧化絲氣凝膠燃燒后沒有明顯的變形或熔化，保持了較強的保溫隔熱能力。Niu等通過中空玻璃微珠(hollow glass microspheres，HGM)、固化劑和阻燃劑混合制備了HGM板，研究表明，51 Ah的NCM811在熱失控中表面溫度為848 ℃，1.5 mm和2 mm厚的HGM板可以延緩熱失控的傳播，3 mm厚的HGM板可以成功阻斷電池熱失控的傳播。Tang等通過溶膠-凝膠法制備了二氧化硅氣凝膠片，結果表明，對于62 Ah的LiNi0.86Co0.07Mn0.07O2/C高比能電池的表面溫度超過800 ℃，二氧化硅氣凝膠作為間隙材料(6.9 mm厚)，將通過的傳熱功率降低到68 W，成功抑制了熱失控的傳播。
3.5 熱管理方式間的組合
在抑制熱失控傳播中，空氣冷卻效率較低，液冷板冷卻需要大量的功耗，相變材料和高導熱材料因需要體積較大而降低了系統(tǒng)能量密度，低導熱材料無法滿足電池正常運行的溫控。為克服單一熱管理技術的不足，研究人員將多種熱管理技術組合起來，以期能夠更好地抑制熱失控的傳播。
3.5.1 液冷板與相變材料/高導熱材料/隔熱材料的組合
液冷板與相變材料/高導熱材料/隔熱材料間的有效組合降低了單獨使用冷板的能耗。如圖8(a)所示，Rui等研究了隔熱材料和液冷板組合的熱管理系統(tǒng)，結果表明，電池底部的液冷板難以減少熱失控電池與相鄰電池之間傳熱，而隔熱材料和液冷的組合則成功抑制了熱失控的傳播。如圖8(b)所示，Kshetrimayum等提出了一種由PCM和微通道冷卻板組成的熱管理系統(tǒng)，仿真研究表明，當水流量為3.3 L/min時，在觸發(fā)三塊電池熱失控后，新熱管理系統(tǒng)將熱失控相鄰電池的溫度保持在363 K以下，抑制了熱失控的傳播。如圖8(c)所示，Ouyang等提出了一種PCM、氣凝膠和納米流體液冷組合的熱管理系統(tǒng)，仿真表明，優(yōu)化后的系統(tǒng)將電池最高溫度降低了23%，經(jīng)濟指標降低了22%。如圖8(d)所示，Zhang等提出了一種PCM、鋁板和液體冷卻混合的熱管理系統(tǒng)，仿真表明，提高PCM導熱系數(shù)可有效提高熱管理的效率，但促進熱失控的傳播，通過增加冷卻水的流速可以緩解熱失控的傳播。
圖8 液冷板與其他熱管理技術的結合 (a) 氣凝膠和液冷板的結合；(b) PCM和液冷板的結合；(c) PCM、氣凝膠和液冷板間的組合；(d) PCM、鋁板和液冷的結合
3.5.2 相變材料/隔熱材料/高導熱材料的組合
為降低圓柱電池之間的輻射熱和對流熱，Yu等設計了一種夾層結構隔熱板(銅//氣凝膠//銅)，研究表明，在圓柱電池由加熱器觸發(fā)熱失控下，該隔熱板延遲了熱失控的觸發(fā)時間，抑制了熱失控的傳播。
此外，另一種組合形式為吸熱屏障，吸熱屏障材料由三個主要部分組成，分別是載體基質(zhì)、吸熱填料和鋁塑膜，低導熱率隔熱的載體基質(zhì)抑制電池單體之間的熱量傳遞，吸熱填料通過相變吸收熱量降低溫度，鋁塑膜為包裝材料避免了與電池的直接接觸。Li等將納米陶瓷纖維與不燃相變材料復合，研究發(fā)現(xiàn)，1 mm的復合材料抑制了50 Ah的NCM523電池模組內(nèi)的熱失控傳播。Bausch等將堿土硅酸鹽羊毛和水凝膠復合，研究表明，2 mm厚的復合材料防止50 Ah的NCM811電池之間的熱失控傳播。
4 結語與展望
4.1 結語
鋰離子電池的安全性是其進一步發(fā)展的關鍵瓶頸問題。本文綜述了鋰離子電池鏈式放熱副反應、熱失控在電池模組內(nèi)的傳播路徑、影響熱失控傳播特性的主要因素以及熱失控傳播抑制策略。具體結論如下所述：
（1）鋰離子電池鏈式放熱副反應及熱失控誘發(fā)機理。SEI膜分解是電池鏈式副反應的開始，其對應的溫度為鏈式放熱副反應臨界溫度(T1)；當電池內(nèi)部熱量持續(xù)積累并造成內(nèi)短路，使電池溫升速率達到1 ℃/s，誘發(fā)電池熱失控過程，該溫度為熱失控觸發(fā)溫度(T2)，熱失控發(fā)生后，其最高溫度為T3。此外，在熱失控過程中，電池釋放大量熱量及可燃氣體，并通過排氣閥排入電池模組，并造成燃燒事故，從而導致熱失控向其他電池傳播，并最終引起火災和爆炸事故，影響人身及財產(chǎn)安全。
（2）鋰離子電池模組中熱失控傳播機理及其影響因素。鋰離子電池熱失控傳播傳熱路徑包括通過電池外殼和連接器的熱傳導、通過高溫氣體的熱對流以及通過火焰和熱失控電池表面的熱輻射，本文總結了熱失控觸發(fā)方式、電池連接方式、電池排列方式、環(huán)境條件、正極材料、電池間距、充電倍率、SOC等因素對電池模組中熱失控傳播的影響。
（3）鋰離子電池熱失控及其傳播抑制策略。不同電池熱管理方式，包括空氣冷卻、液冷板冷卻、浸沒式冷卻、相變材料、高導熱材料、隔熱材料及熱管理組合方式等對熱失控及熱失控傳播具有不同的抑制效果，單一熱管理技術可以在一定程度上散熱，但無法抑制熱失控的觸發(fā)及傳播，多種熱管理技術的組合能夠更加有效地實現(xiàn)控溫和隔熱效果，熱管理系統(tǒng)復雜性和成本相對較高，因此對于現(xiàn)有熱管理技術需要進行優(yōu)化設計以提高其熱失控抑制效果。
4.2 展望
國內(nèi)外學者針對鋰離子電池熱失控、熱失控傳播及熱失控抑制策略方面開展了一系列研究，并取得了長足的進展，但鋰離子電池的熱安全問題仍亟待解決。因此，為了進一步促進鋰離子電池及其模組的安全性，作出如下展望：
（1）進一步開展鋰離子電池熱失控傳播機理研究。鋰離子電池熱失控過程中，電池排氣及燃燒過程是造成熱失控傳播的關鍵問題，包含氣相、液相和固相的高溫、高速混合物從電池內(nèi)部排出，氣體及液體的流動與燃燒，以及固體顆粒的分散使熱失控傳播過程具有復雜性，因此進一步開展基于物理過程的鋰離子電池熱失控傳播機理研究，對抑制熱失控及其傳播過程具有重要意義。
（2）開展基于多尺度、多相耦合的鋰離子電池熱失控傳播模型及其降階方法。基于鋰離子電池熱失控及其傳播過程，建立電池熱失控產(chǎn)熱-排氣(燃燒及爆炸)耦合的熱失控傳播模型，提高仿真模型的準確性，對高安全性電池模組的設計具有重要意義。此外，復雜的熱失控傳播模型將增加計算時間，通過開展降階技術提高計算效率，從而提高熱失控及熱傳播抑制策略的研發(fā)效率。
（3）開發(fā)更加先進的鋰離子電池熱失控傳播抑制技術。鋰離子電池熱失控的抑制需要更加高效的控溫技術，新型的熱管理技術需要兼具電池正常運行及熱失控傳播抑制兩種需求，可在溫控工質(zhì)的選取、有機相變材料表面的阻燃處理、無機相變材料的脫水和相分離改性，隔熱材料高溫穩(wěn)定性的強化、多種熱管理技術的組合等方面進行探索。
