鋰離子電池熱失控防控技術研究進展

張越超，高秀玲，高金津

(天津市捷威動力工業有限公司，天津 300380)

0 引 言

鋰離子電池憑借其自身的優勢，在諸多領域當中都已經得到了廣泛的應用，顯著推進了電動汽車、便攜式電子設備以及分布式儲能系統的發展。不過與此同時，鋰離子電池在安全方面的技術研究還有待進一步的加強，如鋰離子電池可能在各種因素的影響下，或是由于其自身的劣化，而發生熱失控，可能造成燃燒甚至爆炸等方面的安全問題，因此對鋰離子電池熱安全防控技術的研究與完善，就成為了進一步推廣鋰離子電池安全應用的前提。

1 鋰離子電池熱隔離裝置

為提高鋰離子電池的安全性，首先要選用有效的熱隔離裝置。鋰離子一旦發生熱失控，在電芯內各區域間、以及電芯之間的熱擴展速度非常快，會產生大量的熱以及可燃、可爆性煙霧，危險性非常高。通過采用熱隔離裝置，可以抑制電芯內部的熱擴展速率，從而降低熱失控概率，或降低電芯之間的熱擴展速率和擴展程度，降低電池包整體的危害性。

通常來說，熱隔離的材料越厚的話，其對于鋰離子電池的安全性保護功能越強，但是在實踐當中，卻并不能一味的通過增加材料厚度來為鋰離子電池提供安全保護，因為隨著材料的增厚，電池的散熱又會出現問題，并且電池模組的重量，還會大大的增加。因此，在鋰離子電池熱隔離裝置方面，還需要更加科學、合理的研究和設計。例如應當通過對熱隔離裝置的結構配置，或是材料選擇等，來優化熱隔離效果。李婧霞等人[1]在研究中指出，在正極材料LiNi0.8Co0.15Al0.05O2(NCA)中加入Li Mn2O4(LMO)和LiFePO4(LFP)，制備成混合正極材料LMO/LFP/NCA，使小顆粒的LMO和LFP材料均勻地分散在NCA二次顆粒表面和NCA顆粒之間的空隙中，將熱穩定性更高的LMO和LFP附著在熱穩定性低的NCM材料表面和空隙中，起到材料層級的隔熱作用，可以抑制、減緩NCA的熱反應；同時，也減少了NCA與電解液的副反應，得到安全性能與循環性能皆優的電池。

王大鵬等人[2]的研究證明，電池表面對流傳熱系數可以抑制電池表面溫度。另有公司專門設計了電池夾層結構，這種夾層結構的中間部分，是一層具有良好耐熱性的材料，兩邊則是導熱材料，這樣既保證了電池散熱，又阻隔了熱傳遞。

2 鋰離子電池熱失控預警

胡曉亞等人[3]指出，在鋰離子電池的安全防控中，熱失控預警是最基本的技術措施，其重點需要從兩個方面對電池情況走出監測。第一個方面，是對單個電池各項關鍵參數的監測，如溫度、電流、電壓等；第二個方面，是對整個電池組的監測，動態分析電池組在運行過程當中是否存在異常情況。

在實際的熱失控防控技術需求中，對于鋰離子電池的電流、電壓以及溫度等參數，都需要進行動態和實時的監測，高飛等人[4]指出這種監測結果的準確性、精準度，主要取決于傳感器。當前，鋰離子電池熱失控的監控傳感器，以光纖布拉格光柵傳感器最受研究關注，它屬于是一種間接測量傳感器。如在工作中，電池的溫度超過了預先設定的某一標準，光纖的傳輸就會發生質量變化，以此作為早期故障判斷的依據，發出相應警報。

廖正海等人[5]在其研究當中指出，評價鋰離子電池運行安全性的諸多因素中，內部氣體擴散是需要引起高度重視的。因為鋰離子電池如果出現了熱失控方面的問題和隱患，隨著溫度的升高，便會產生氣體，這是需要引起高度重視的，所以可以根據氣體來判斷鋰離子電池的熱安全性。蘇偉等人[6]在研究中指出，當前通常可以利用紅外光譜氣體測量儀，來對可能產生的一氧化碳、二氧化碳進行監測，并發出警報。

3 鋰離子電池消防安全

鋰離子電池熱安全事故，可能會導致發熱甚至爆炸，因此在其熱安全防控中，必須要考慮到消防安全處置。在這方面，應用得較早的是氣體滅火系統，其能夠在鋰離子電池的運行過程當中，通過氣體進行滅火，保證安全。不過需要引起重視的是，在氣體滅火完成之外，在鋰離子電池的內部，依然可能存在強烈的放熱反應，導致火災再次發生。為此，相比于氣體滅火而言，超細水霧對鋰離子電池的滅火效果更加良好，其既能夠在短時間內，撲滅明火，同時還可以降低電池的熱度，防止火災再次復燃。

徐雪春[7]在研究中提出，當前雖然可以用于鋰離子電池消防安全的技術方法較多，但是其實際效果是存在明顯差異的，尤其是在抑制電池溫度方面的表現上，差異較大。當前，已有相關的研究證明，如果采用全室噴水或水霧滅火系統，電池的內部是難以受到影響的，也就是說其內部火場不能被撲滅。水和低膨脹泡沫等熱容量高的滅火劑具有快速冷卻和滅火的作用。低膨脹泡沫降低了水的表面張力，這會提高水滲透的可能性，而高黏度的滅火劑不會擴散到電池火場。熱容量較小的滅火劑，如高膨脹泡沫和氮氣，冷卻效果較差，但如果設計合理，仍然可以實現滅火。

目前鋰離子電池消防安全所使用的滅火劑主要有三類，第一類是氣態滅火劑，第二類是液態滅火劑，第三類是固態滅火劑。其中二氧化碳、HFC、IG-541等，都屬于是氣態滅火劑，其雖然能夠起到滅火的作用效果，但是基本不具備降溫能力，比熱容較小。全氟己酮、水成膜泡沫、A-B-D、F-500等，屬于是液態滅火劑，其一方面是能夠對火災起到有效的撲滅效果，同時更能降低電池的溫度，具有較大的比熱容。磷酸銨鹽、氯化鈉、硫酸銨、超細干粉等，則屬于是固態滅火劑。其滅火原理是化學抑制和窒息滅火，滅火效果較差，氣溶膠類滅火劑的主要作用是發生氧化還原反應產生大量的煙霧，達到窒息滅火的目的。

除了滅火材料的選擇之外，滅火系統自身是否具有科學性、適用性，對其消防安全保障效果也具有直接的影響。例如，滅火系統首先需要敏感的傳感器作為前端，監測、探查是否或火災發生，以便做出快速、及時、租期內的反應。如有研究人員發明了一種滅火系統，當熱失控事件發生并被傳感器感知后，基于液汽相變除熱原理的惰性高壓制冷劑將通過電池組內特殊設計的路徑噴射出來。還有研究人員嘗試通過閉環空氣冷卻系統，來對鋰離子電池的溫度進行控制，如果發生了火災事件，便經由螺線閥控制的進氣口將惰性氣體噴射到電池組。還有研究發明了一種電動汽車電池自動滅火裝置，將電池箱內的電池組置于用高溫陶瓷板隔離的分離框內，框外有滅火蓋板和PC膠管，膠管連接滅火器管道，當火災發生時膠管破裂就會噴出滅火粉末滅火。類似這種阻燃防爆的裝置還有很多，大部分采用了一個防火耐熱的電池組外殼，和內置一個自動滅火器。

杜煒凝等人[8]在研究中明確的提出，現目前在鋰離子電池的消防安全技術中，雖然有諸多的技術方法可以用于滅火，但是其效果差異較大，而且在具體的技術方式上，缺少統一的標準，這是需要重點解決的問題。不過已有不少的安全設計，旨在進一步增強系統的安全保護功能。其基本思想主要基于處理熱失控時釋放能量的方法，能量釋放的主要途徑是通過其他途徑釋放電化學能量。如何將實用的硬件/軟件與電池系統設計相結合，提高電池系統的整體安全性，是未來的一個重點研究方向，這樣這樣的技術能夠成熟，并得到廣泛的推廣、應用，則可以大大提高鋰離子電池的安全性。

在鋰離子電池儲能技術的研究與發展過程當中，對于其熱安全防控技術的研究，我們同樣應當加強重視力度，因為只有不斷提高鋰離子電池的安全性，才能使其得到更大范圍的推廣、應用，發揮出更大的作用價值。