中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：鋰離子電池以其能量密度高、生命周期長(zhǎng)和自放電率低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能電站等領(lǐng)域。然而，近年來(lái)鋰離子電池相關(guān)的火災(zāi)爆炸事故頻發(fā)，引起了社會(huì)大眾對(duì)其安全性的高度關(guān)注和擔(dān)憂。熱失控是引發(fā)鋰離子電池火災(zāi)和爆炸事故的直接原因，絕大部分事故都涉及熱失控和熱失控傳播兩個(gè)過(guò)程。單體電池?zé)崾Э氐漠a(chǎn)熱有限，造成的危害相對(duì)可控。然而，如果單個(gè)電池的熱失控進(jìn)一步擴(kuò)散，引起整體系統(tǒng)的熱失控傳播，將會(huì)短時(shí)間內(nèi)釋放大量熱量，并產(chǎn)生有毒可燃?xì)怏w，造成嚴(yán)重的消防安全事故。在監(jiān)管方面，聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)第20號(hào)“電動(dòng)汽車安全全球技術(shù)法規(guī)（GTR EVS）”和中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》（GB 38031—2020）中均要求電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池包能夠監(jiān)測(cè)電芯單體的熱失控行為，并發(fā)出警告信號(hào)，確保乘客在事故發(fā)生前有足夠時(shí)間逃生，且中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定了這一時(shí)長(zhǎng)為5min。為了應(yīng)對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э丶捌鋫鞑?lái)的安全挑戰(zhàn)，研究鋰離子電池?zé)崾Э貍鞑サ淖韪舨牧暇哂兄匾饬x。
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鋰離子電池?zé)崾Э貦C(jī)理
鋰離子電池?zé)崾Э氐恼T因可分為：機(jī)械濫用、電濫用和熱濫用。3種濫用方式可獨(dú)立發(fā)生，但也存在一定因果關(guān)系。在熱失控過(guò)程中，電池內(nèi)部主要發(fā)生：固體電解質(zhì)（SEI）膜分解、正/負(fù)極-電解液反應(yīng)、隔膜融化、電解液分解和粘連劑分解等化學(xué)放熱反應(yīng)，這些反應(yīng)并沒(méi)有嚴(yán)格的先后順序，熱失控機(jī)理如圖1所示。此外，研究人員利用加速量熱儀實(shí)現(xiàn)了對(duì)熱失控特性的定量分析，通過(guò)對(duì)多種不同類型電池進(jìn)行測(cè)試，總結(jié)出了熱失控的3個(gè)特征溫度T1、T2、T3和一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)——最大溫升速率max{dT/dt}，如圖2所示?？傮w而言，單體電池?zé)崾Э胤揽氐哪繕?biāo)就是提高T1和T2，降低T3和max{dT/dt}。
圖1 鋰離子電池?zé)崾Э貦C(jī)理圖
圖2 鋰離子電池?zé)崾Э氐呐R界溫度圖
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鋰離子電池?zé)崾Э貍鞑C(jī)制
鋰離子電池?zé)崾Э貍鞑ヒ脖环Q為熱失控蔓延或熱失控?cái)U(kuò)散，是指在電池模組中，當(dāng)某個(gè)單體電池發(fā)生熱失控后，其內(nèi)部鏈?zhǔn)椒磻?yīng)和外部燃燒行為所釋放的大量熱量傳遞給周圍電池，進(jìn)而觸發(fā)大規(guī)模的連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致電池系統(tǒng)全面失效的過(guò)程。
2.1 鋰離子電池?zé)崾Э貍鞑?shí)驗(yàn)
在鋰離子電池?zé)崾Э貍鞑?shí)驗(yàn)研究中，研究人員主要探討了熱失控傳播的路徑以及其影響因素。Feng等研究發(fā)現(xiàn)鋰離子電池?zé)崾Э蒯尫趴偀崃康?2%就足以觸發(fā)相鄰電池?zé)崾Э?，其中電池外殼傳遞的熱量起主導(dǎo)作用，電極連接器傳遞的熱量占1/10，噴射火焰的影響則相對(duì)較小。Yan等研究發(fā)現(xiàn)在電池?zé)崾Э匕l(fā)生前，傳熱主要通過(guò)空氣傳導(dǎo)進(jìn)行；在熱失控發(fā)生后，主要方式則變?yōu)闊彷椛洹４送?，研究人員也探討了正極材料、荷電狀態(tài)、連接方式、充/放電倍率和環(huán)境壓力等多種因素對(duì)熱失控傳播的影響。Ouyang等研究了荷電狀態(tài)對(duì)熱失控傳播的影響，結(jié)果表明電池荷電狀態(tài)越高，熱失控觸發(fā)時(shí)間越早，傳播速度越快，質(zhì)量損失越大，峰值溫度越高，熱危害越嚴(yán)重。Huang等針對(duì)不同連接方式的電池組進(jìn)行了熱失控傳播實(shí)驗(yàn)，得出熱失控的傳播速度排序?yàn)椋翰⒙?lián)>串聯(lián)>非連接模塊。在之后的研究中，Huang等又對(duì)比了不同正極材料的鋰離子電池?zé)崾Э貍鞑ヌ匦?，結(jié)果表明三元鋰電池的熱失控持續(xù)時(shí)間和最高溫度要明顯高于磷酸鐵鋰電池。Hu等研究了充電倍率對(duì)熱失控傳播的影響，發(fā)現(xiàn)充電速率越高，熱失控傳播的時(shí)間越短。Liu等研究了環(huán)境壓力（0.1~100kPa）對(duì)線性排列電池組熱失控傳播的影響，結(jié)果表明隨著氣壓的降低，熱失控傳播速率先增加后降低。
2.2 鋰離子電池?zé)崾Э貍鞑ツＰ?/strong>
熱失控傳播模型是用于描述和預(yù)測(cè)電池系統(tǒng)熱失控?cái)U(kuò)散行為的理論模型，通過(guò)增加或降低模型的復(fù)雜度和精度，可以適應(yīng)不同規(guī)模和類型的電池系統(tǒng)。熱失控傳播的建模方法主要包括基于集總參數(shù)的熱阻網(wǎng)絡(luò)模型和基于計(jì)算流體力學(xué)的三維數(shù)值模型。
在熱阻網(wǎng)絡(luò)模型中，每個(gè)電池單元都被視為一個(gè)具有質(zhì)量、比熱容和熱源的獨(dú)立節(jié)點(diǎn)，并通過(guò)特定的熱阻連接起來(lái)。熱阻網(wǎng)絡(luò)模型的建模過(guò)程通常可分為單個(gè)電池節(jié)點(diǎn)的熱生成模型開(kāi)發(fā)和基于能量平衡原理的節(jié)點(diǎn)整合兩部分。
熱阻網(wǎng)絡(luò)模型在處理幾何形狀復(fù)雜的系統(tǒng)時(shí)存在一定的局限性，且無(wú)法獲取熱失控傳播期間電池的詳細(xì)溫度分布信息。相比之下，基于傳熱控制方程開(kāi)發(fā)的三維數(shù)值模型不僅能夠克服這些限制，而且還能夠整合多物理場(chǎng)模擬，但其計(jì)算成本也更高。
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鋰離子電池?zé)崾Э貍鞑プ韪舨牧?/strong>
鋰離子電池?zé)崾Э貍鞑サ淖韪舴绞街饕ǜ魺崤c散熱兩種類型。隔熱主要通過(guò)在電池單體或模組間添加低熱導(dǎo)率、耐高溫的隔熱材料，阻隔電池間的熱量傳遞；散熱主要通過(guò)添加吸熱材料（高熱容量材料或相變材料），吸收熱失控釋放的熱量，減少熱量傳遞，降低熱失控傳播的風(fēng)險(xiǎn)。
3.1 隔熱型阻隔材料
熱失控發(fā)生時(shí)，在單體電池與模組間添加隔熱材料能有效防止熱失控產(chǎn)生的高溫?zé)煔鈱?duì)相鄰電芯或模組造成損害，從而控制熱失控在整個(gè)系統(tǒng)中的傳播。
目前，用于隔熱的材料主要包括氣凝膠、納米纖維和一些新型的復(fù)合材料等。
此外，有關(guān)隔熱材料的研究?jī)?nèi)容也包括不同材料間的性能比較，以及材料厚度、布局方式等因素對(duì)抑制效果的影響等方面。
3.2 散熱型阻隔材料
在電池之間添加高熱容量材料或相變材料可吸收電池?zé)崾Э蒯尫诺臒崃?，提升電池組向環(huán)境散熱的能力，降低熱失控傳播的風(fēng)險(xiǎn)。金屬板作為常見(jiàn)的高熱容量材料，具備良好的導(dǎo)熱性能和機(jī)械強(qiáng)度。因此，研究人員嘗試將它們用作抑制電池?zé)崾Э氐膫鞑ァ?/span>
石蠟作為最典型的相變材料之一，具有成本低、無(wú)毒、形狀適應(yīng)性強(qiáng)和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等一系列優(yōu)點(diǎn)，受到了專家學(xué)者們的廣泛研究。然而，石蠟也存在著導(dǎo)熱系數(shù)低和易燃燒的問(wèn)題，可能加劇熱失控傳播的劇烈程度。為了解決這一問(wèn)題，研究人員通過(guò)添加導(dǎo)熱劑、阻燃劑或涂覆阻燃涂層等方法以改善其性質(zhì)。
相比于石蠟等有機(jī)相變材料，無(wú)機(jī)相變材料則具有不燃的突出優(yōu)點(diǎn)，因此研究人員也開(kāi)始探索運(yùn)用無(wú)機(jī)相變材料來(lái)抑制熱失控傳播。
3.3 隔熱-散熱雙功能型阻隔材料
隨著鋰離子電池能量密度的不斷提高，單一的熱失控傳播阻隔方式已難以有效應(yīng)對(duì)潛在的熱安全風(fēng)險(xiǎn)。僅添加隔熱材料可能造成電池模塊散熱條件差，影響電池的正常工作性能。僅添加吸熱材料的應(yīng)用又難以完全抑制熱失控在模組間的傳播。因此，研究人員開(kāi)始探索兩種阻隔方式結(jié)合使用的方法。研究的主要方向集中在兩種材料的組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和雙功能型材料的開(kāi)發(fā)上。
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結(jié)語(yǔ)與展望
全面概述了鋰離子電池的熱失控機(jī)理和熱失控傳播機(jī)制，并以此為理論基礎(chǔ)，系統(tǒng)梳理了熱失控傳播阻隔材料的研究進(jìn)展?；趯?duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)的綜述，以下是對(duì)未來(lái)熱失控傳播阻隔材料發(fā)展的評(píng)價(jià)與展望：
（1）隔熱材料優(yōu)點(diǎn)在于被動(dòng)性和可靠性，不需要額外能量消耗；缺點(diǎn)是容易造成電池組內(nèi)熱量積累，影響電池正常工作性能。其未來(lái)研究將聚焦于高性能超薄隔熱材料的開(kāi)發(fā)，以及電池模組內(nèi)熱傳導(dǎo)阻隔路徑的優(yōu)化設(shè)計(jì)上。
（2）吸熱材料優(yōu)點(diǎn)在于簡(jiǎn)單可靠，可與電池?zé)峁芾砑夹g(shù)協(xié)同使用；缺點(diǎn)是金屬構(gòu)件類質(zhì)量大、成本高，相變材料類熱導(dǎo)率低、可燃、相變過(guò)程中易過(guò)冷泄漏。有機(jī)相變材料未來(lái)研究應(yīng)側(cè)重于阻燃、高導(dǎo)熱、高可塑性或高機(jī)械強(qiáng)度的功能設(shè)計(jì)上。無(wú)機(jī)相變材料未來(lái)發(fā)展應(yīng)專注于納米封裝和微膠囊化技術(shù)的應(yīng)用上。
（3）隔熱-散熱雙功能型阻隔材料中相變材料能夠有效地散熱，延緩熱失控和熱失控傳播的發(fā)生時(shí)間，平衡隔熱材料所帶來(lái)的散熱性能差異；隔熱材料能夠有效地阻隔熱失控在系統(tǒng)中的傳播，以解決相變材料失效后加劇熱失控傳播的問(wèn)題。該方案已成為了當(dāng)前研究新熱點(diǎn)領(lǐng)域。其未來(lái)研究將著重于組合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和新型雙功能材料的開(kāi)發(fā)上，以減小其在模組內(nèi)的空間占用。
