中國儲能網(wǎng)訊：鋰離子動力電池作為電動汽車的主流動力源，具有高比能量的特點。而目前汽車用動力電池多采用數(shù)量較多的小容量電池進行串并聯(lián)成組以滿足高能量的要求。這樣，汽車動力電池系統(tǒng)的安全問題就不再僅僅是電池單體的安全問題，而是電池成組安全問題。近年發(fā)生的汽車動力電池事故，均是由于電池組中的某一個電池單體發(fā)生熱失控后產(chǎn)生大量熱，導致周圍電池單體受熱產(chǎn)生熱失控。這樣，電池組內(nèi)的熱失控蔓延問題就是電池成組安全問題的主要關(guān)注點。
如果探究清楚熱失控蔓延的機制，有效地對熱失控的蔓延進行阻隔，使熱失控局限于電池單體，就可以將危害降到最低。目前針對電池熱失控蔓延的研究還不多，近些年電池安全問題受到關(guān)注之后有部分學者對動力電池熱失控蔓延進行了試驗和仿真研究。電池熱失控蔓延的有效防控技術(shù)的相關(guān)研究也在開展。本工作將圍繞熱失控蔓延機制及建模研究、熱失控蔓延安全防控技術(shù)這兩個方面，對其研究現(xiàn)狀進行綜述，并探討熱失控蔓延相關(guān)研究的發(fā)展方向。
重點內(nèi)容導讀
1 熱失控蔓延機制研究現(xiàn)狀
1.1 熱失控蔓延機理研究
已經(jīng)有大量學者進行了鋰離子動力電池單體的熱失控機理的研究。圖1為某款NCM三元/石墨鋰離子動力電池單體的熱失控機理，可以看到熱失控發(fā)生時，各種材料相繼發(fā)生熱分解反應(yīng)，使得電池體系內(nèi)部溫度不可逆的快速升高。具體包括：SEI膜分解，負極與電解液反應(yīng)，正極分解，電解液分解，電解液燃燒等。電池熱失控過程的放熱速率開始時是緩慢增加的，直到某一溫度點時，放熱速率開始快速增加，電池進行劇烈的能量釋放，稱為熱失控觸發(fā)溫度（TRonset）。
圖1 三元/石墨鋰離子動力電池單體熱失控反應(yīng)機理
FENG等針對6節(jié)25 A·h三元鋰離子電池組成的串聯(lián)模塊，進行了針刺觸發(fā)的熱失控實驗，進而對熱失控蔓延機理做了分析。當方殼型電池發(fā)生熱失控時，通過電池正面接觸而產(chǎn)生的側(cè)向加熱非常劇烈，導致被加熱電池內(nèi)部在厚度方向上溫度梯度很大，熱失控蔓延的發(fā)生是由于電池前端面溫度達到熱失控觸發(fā)溫度來判定，見圖2。
（a）熱失控蔓延溫度分布
（b）電池中心溫度
圖2 方殼電池熱失控蔓延過程示意圖
熱失控的發(fā)生意味著隔膜的崩潰，同時發(fā)生大規(guī)模內(nèi)短路，因而對于兩節(jié)并聯(lián)電池，在熱失控蔓延過程中，電壓下降和熱失控發(fā)生時間呈現(xiàn)一定的相關(guān)性，見圖3。
圖3 熱失控蔓延電壓特性
1.2 熱失控蔓延模型研究
單體熱失控模型是熱失控蔓延模型的基礎(chǔ)，因此，下面將分別針對單體電池熱失控建模與熱失控蔓延建模方面的研究進行概述。
圖4 熱失控蔓延三維模型的溫度分布
1.3 熱失控蔓延影響因素
影響熱失控蔓延特性的因素有很多，首先是電池本身的熱失控特性，如電池熱失控特征溫度、能量釋放速率等；其次電池的散熱條件以及電池之間的傳熱條件，如前所述，熱量傳遞是電池組熱失控蔓延的重要原因，因此傳熱特性也是直接影響熱失控蔓延速率的重要因素；另外，電池發(fā)生熱失控時會噴出高溫氣體和顆?；旌衔?，這些氣體具有可燃性，極易發(fā)生起火，這些高溫噴出物以及噴出物燃燒產(chǎn)生的火焰會加熱周圍電池，從而加速熱失控蔓延的進程；除此以外，電池之間的電連接也會影響熱失控的蔓延。
（a）
（b）
圖5 熱失控蔓延熱流途徑分析
（a）M型連接
（b）S型連接
圖6 兩種并聯(lián)連接形式
2 熱失控蔓延防控技術(shù)研究現(xiàn)狀
目前已有的熱失控蔓延防控方面的研究是從模組或電池包的角度，主要通過熱管理的手段，抑制熱失控在電池之間的蔓延，以防止電池包中一節(jié)電池發(fā)生熱失控后，逐漸蔓延到周圍電池。對于方殼型電池來說，通過防控技術(shù)使得相鄰電池前端面溫度無法達到熱失控觸發(fā)溫度TRonset，就可以實現(xiàn)熱失控蔓延的抑制。
2.1 空氣冷卻
空氣冷卻是一種較為簡單的熱管理方法，且由于其在成本和體積效率上的優(yōu)勢被一些混合動力汽車采用，例如豐田Prius、Encrl Think City等。
圖7 空冷流道設(shè)計
2.2 液 冷
液冷系統(tǒng)通常由水泵驅(qū)動液體流動，液體不與電池直接接觸，而是通過金屬管、冷板等方式實現(xiàn)電池向冷卻液中的熱量傳遞，通常需要外部換熱器件來實現(xiàn)冷卻液中的熱量散到環(huán)境中。由于冷卻液一般具有較高的比熱容，因此較容易實現(xiàn)電池組溫度的一致性。并且具有較好的冷卻效果，可以保證較大倍率下電池溫度仍然在較合理的溫度范圍內(nèi)。其缺點是冷卻系統(tǒng)復雜，有管道、水泵、換熱器等輔助器件，增加了系統(tǒng)的復雜度，同時冷卻液的泄露風險也帶來了新的安全性問題。
（a）常規(guī)管道液冷系統(tǒng)
（b）水凝膠液冷系統(tǒng)
圖8 常規(guī)管道液冷與水凝膠液冷
2.3 相變冷卻
風冷和水冷方法，除了還在研究中的水凝膠方法以外，都是主動冷卻方法，需要在系統(tǒng)中加入額外的驅(qū)動器件，導致系統(tǒng)復雜度變高，而以相變冷卻為主要手段的被動冷卻在這方面優(yōu)于風冷和液冷。相變材料冷卻熱管理可以分為固液相變和液汽相變。
圖9 PCM相變材料及鋁冷卻塊冷卻效果對比
2.4 應(yīng)急冷卻技術(shù)
應(yīng)急冷卻技術(shù)是指當檢測到電池熱失控的發(fā)生時，針對熱失控及其周圍電池進行冷卻劑噴淋，以降低局部溫度，達到抑制熱失控蔓延的目的。
2.5 防火安全性設(shè)計
電池發(fā)生熱失控，常常伴隨著高溫氣體的噴出，由于噴氣氣流速度快、電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞，電池內(nèi)部部分材料會隨氣流一起噴出。這些噴出物一方面溫度較高，接觸周圍電池會加速熱失控的蔓延；另一方面具有可燃性，噴出過程極易產(chǎn)生火星，噴出后在空氣環(huán)境中易于起火。如何對噴出物進行火災(zāi)防控，是需要研究的重要問題。
結(jié) 語
動力電池熱失控蔓延的主要影響因素是傳熱、電連接、噴出物起火。對于方殼及軟包電池來說，傳熱可能是最重要的影響因素。當方殼型電池發(fā)生熱失控時，熱失控蔓延的發(fā)生是由于電池前端面溫度達到熱失控觸發(fā)溫度TRonset來判定。為了對熱失控蔓延過程進行仿真研究，可以建立不同維度的熱失控蔓延模型，其中三維模型的仿真準確度最高，可獲得的信息最多，但計算量也最大。
在熱管理方面，目前多數(shù)研究還是從正常工況下的溫度控制角度進行，針對熱失控蔓延抑制的研究還不太多。在幾種熱管理手段中，液冷、相變冷卻、應(yīng)急冷卻可能是抑制熱失控蔓延較有效的方法。熱管理系統(tǒng)在考慮管理效果的同時，還要考慮其對電池組成組效率、成本增加、復雜程度等方面的影響。防火安全性設(shè)計目前主要是一些簡化的試驗研究，缺乏有力的數(shù)據(jù)支撐，因此有必要從電池熱失控可燃性氣體成分、流動等角度，為防火設(shè)計提供更多的理論研究基礎(chǔ)。
【引用本文】
陳天雨，高 尚，馮旭寧，等. 鋰離子電池熱失控蔓延研究進展[J]. 儲能科學與技術(shù)，2018,7（6）：1030-1039.
CHEN Tianyu, GAO Shang, FENG Xuning, et al. Recent progress on thermal runaway propagation of lithium-ion battery[J]. Energy Storage Science and Technology, 2018,7（6）：1030-1039.
