不同隔熱環(huán)境下鋰離子電池?zé)釘U(kuò)散行為研究

齊 創(chuàng) ，鄺男男，栗 國，趙光磊

(1. 天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 天津 300072；2. 中汽研(天津)汽車工程研究院有限公司 天津 300300)

0 引 言

目前環(huán)境污染問題和能源危機(jī)日益加劇，新能源汽車因具備污染小的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛接受。鋰離子電池具備能量密度高、循環(huán)壽命長、自放電率小、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，作為動(dòng)力源被廣泛應(yīng)用于新能源電動(dòng)汽車[1]。但是，新能源汽車在使用過程中，因動(dòng)力電池而引起的起火燃燒事故頻發(fā)[2]。因此，要想提升新能源電動(dòng)汽車的安全，則勢必要對鋰離子電池的熱失控及熱擴(kuò)散行為進(jìn)行深入的研究分析。

由于新能源汽車的電池系統(tǒng)是由成百上千的電芯以串并聯(lián)的方式組合在一起的，其安全問題就不僅僅是電池單體的安全問題，而是電池組的安全問題[3]。當(dāng)電池模組或電池包內(nèi)某個(gè)電芯發(fā)生熱失控以后，其釋放大量的熱量，一部分熱量用于自身溫度的升高，另一部分則以對流、導(dǎo)熱、輻射的方式傳遞給相鄰的電芯，剩余熱量則在煙氣噴射過程中流出。而當(dāng)相鄰電芯的溫度達(dá)到熱失控的觸發(fā)溫度，則發(fā)生了熱失控蔓延或者熱擴(kuò)散[4]。對于單個(gè)電芯而言，其熱失控釋放的能量非常有限，但成百上千的電芯在短時(shí)間內(nèi)同時(shí)發(fā)生熱失控，會(huì)造成巨大的危害。況且電芯發(fā)生熱失控時(shí)，具有很強(qiáng)的化學(xué)活性，短時(shí)間內(nèi)很難得到遏制。對于新能源汽車而言，當(dāng)電池包內(nèi)某個(gè)電芯發(fā)生熱失控時(shí)，其熱量會(huì)向周邊電芯快速傳遞，引起整個(gè)電池包的熱擴(kuò)散，導(dǎo)致車輛起火燃燒，威脅乘員的生命安全。其次，電池密封在電池箱內(nèi)，其起火后對消防救援也是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)[5-6]。因此，通過有效設(shè)計(jì)盡可能延長電池包的熱擴(kuò)散時(shí)間是新能源汽車設(shè)計(jì)開發(fā)中亟需解決的安全問題，研究電池組的熱擴(kuò)散規(guī)律和分析不同環(huán)境下電池組的熱擴(kuò)散行為能夠?yàn)殡姵啬＝M提供設(shè)計(jì)思路和理論基礎(chǔ)，具有很好的研究價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。

綜上所述，本文以5塊單體容量為50 Ah的三元鋰離子電池為研究對象，開展了開放環(huán)境不放置隔熱材料、開放環(huán)境放置隔熱材料和半封閉環(huán)境下放置隔熱材料的模組熱擴(kuò)散試驗(yàn)研究，分析了電池模組的熱擴(kuò)散行為和不同環(huán)境下模組的熱擴(kuò)散規(guī)律。其中，半封閉環(huán)境則是模擬模組在電池包內(nèi)的狀態(tài)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)樣品

以新能源車用三元鋰離子電池為研究對象，圖1是電池模組的布置方式。電池額定容量為50 Ah，正極材料為Li(Ni0.6Co0.2Mn0.2)O2，負(fù)極材料為石墨，電池大小為26.8 mm×148 mm×91 mm，質(zhì)量為0.85 kg，充放電電壓為2.7～4.2 V。通過將5塊測試樣品并聯(lián)，研究不同隔熱環(huán)境下模組的熱擴(kuò)散行為。如圖1所示，模組上共布置11個(gè)熱電偶，其中1～5號熱電偶布置于電池側(cè)面，6號熱電偶布置于加熱片一側(cè)，7～11號熱電偶布置于電池之間。為減小外部殼體對試驗(yàn)的影響，在殼體與電池之間放置5 mm厚的環(huán)氧樹脂板和1.5 mm厚的陶瓷纖維紙。

圖1 模組布置方式Fig.1 Experiment layout of module

1.2 試驗(yàn)條件

圖2 是3種不同環(huán)境下模組的現(xiàn)場布置圖。在試驗(yàn)過程中，所有電池的荷電狀態(tài)為100%，加熱片功率為300 W，加熱片厚度為5 mm，環(huán)境溫度為18～20℃，隔熱材料為陶瓷纖維紙，厚度為1.5 mm，熱導(dǎo)率0.1 W/(m·K)，并對每塊電池都進(jìn)行電壓測試。半封閉環(huán)境下模組上蓋使用的材料為復(fù)合纖維材料，具有阻燃隔熱的作用，厚度為2 mm。同時(shí)，為分析上蓋的阻燃隔熱作用，在上蓋的外側(cè)額外增加2個(gè)熱電偶測量外部的溫度。所使用的熱電偶為K型熱電偶，最高測量溫度1 300℃。

圖2 3種不同環(huán)境下模組現(xiàn)場布置圖Fig.2 On-site layout of modules under three different conditions

2 結(jié)果與討論

2.1 開放環(huán)境下模組熱擴(kuò)散行為分析

圖3 是開放環(huán)境下電池模組的溫度-電壓-時(shí)間變化曲線。由于試驗(yàn)過程中，電池?zé)崾Э匾院蟪霈F(xiàn)膨脹，7～11號熱電偶受到強(qiáng)烈擠壓，數(shù)據(jù)出現(xiàn)劇烈的波動(dòng)，因此對1～5號熱電偶的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖3(a)中Vi(i＝1～5)表示不同電池的電壓變化，pointi(i＝1～5)表示位置1～5的溫度變化。從圖中可以看出，約658 s時(shí)，第一塊電池發(fā)生了熱失控，約1 028 s時(shí)，第5塊電池發(fā)生了熱失控，整個(gè)模組發(fā)生熱失控的時(shí)間間隔為370 s。圖3(b)是模組的電壓-時(shí)間變化曲線，圖中Vti(i＝1～5)表示相鄰兩塊電池電壓驟降的時(shí)間間隔。從圖中可以看出，相鄰兩塊電池電壓發(fā)生驟降的時(shí)間在不斷增加，說明電池?zé)崾Э氐难訙谠诓粩嘣黾印?/p>

圖3 開放環(huán)境下電池模組的溫度-電壓-時(shí)間曲線Fig.3 Temperature-voltage-time curve of module under open environment

圖4 是Bat1和Bat2的試驗(yàn)結(jié)果曲線。從圖中可以看出，電池?zé)崾Э貢r(shí)溫升速率最高可達(dá)80℃/s。由于Bat1直接受到加熱片加熱，其發(fā)生熱失控的初始溫升速率約為0.2℃/s。在Bat1發(fā)生熱失控以后，Bat2吸收大量的熱量，溫度開始緩慢上升，溫升速率由0.06℃/s增加到3℃/s。當(dāng)Bat2的溫度達(dá)到158.0℃時(shí)，電池發(fā)生熱失控，溫升速率迅速超過10℃/s。通過對比電壓和溫度的變化曲線，電壓下降的拐點(diǎn)要早于溫度上升的拐點(diǎn)，其時(shí)間為2～5 s。由于Bat1溫升速率達(dá)到1℃/s時(shí)電壓也發(fā)生驟降，文中將Bat1溫升速率為1℃/s時(shí)的時(shí)間和溫度定義為熱失控的時(shí)間ti和溫度Ti。而對于Bat2，溫升速率達(dá)到10℃/s時(shí)，電壓才發(fā)生驟降，文中將Bat2的熱失控時(shí)間和溫度定義為溫升速率為10℃/s的時(shí)刻和溫度。

圖4 Bat1和Bat2試驗(yàn)結(jié)果曲線Fig.4 Test results of Bat1 and Bat2

2.2 增加隔熱材料模組熱擴(kuò)散行為分析

圖5 是增加隔熱材料電池池模組的試驗(yàn)結(jié)果。從圖中可以看出，第1塊電池在650.1 s左右時(shí)發(fā)生了熱失控，第5塊電池在1 979.6 s時(shí)發(fā)生了熱失控，時(shí)間間隔約為1 329.5 s。由于隔熱材料的存在，模組的熱失控延滯期趨向于平均，如圖5b所示。

圖5 增加隔熱材料電池模組溫度-電壓-時(shí)間變化曲線Fig.5 Temperature-voltage-time curve of module with thermal insulation material

圖6 是Bat1和Bat2試驗(yàn)結(jié)果曲線。同開放環(huán)境類似，增加隔熱材料后電池電壓下降的時(shí)刻同樣比溫度開始快速上升的時(shí)間早1～2 s。Bat1發(fā)生熱失控以后，Bat2的溫升速率迅速升高到2℃/s。由于隔熱材料的存在，在此后290 s左右，其溫升速率一直下降，溫度緩慢增加。當(dāng)溫度達(dá)到166.5℃時(shí)，Bat2突然發(fā)生熱失控，其熱失控溫度高于開放環(huán)境下的電池?zé)崾Э販囟取?/p>

圖6 Bat1和Bat2試驗(yàn)結(jié)果曲線Fig.6 Test results of Bat1 and Bat2

2.3 半封閉環(huán)境下模組熱擴(kuò)散行為分析

圖7 是半封閉環(huán)境下模組的溫度-電壓-時(shí)間變化曲線。從圖中可以看出，第一塊電池在652.3 s時(shí)發(fā)生熱失控，第5塊電池在1 434.5 s時(shí)發(fā)生熱失控，整個(gè)模組全部發(fā)生熱失控的時(shí)間間隔為782.2 s。由于上蓋的存在，第1塊電池?zé)崾Э匾院螅邷貧怏w不能及時(shí)散出，電池組前期的熱擴(kuò)散速率較快。而隨著上蓋的破損，高溫氣體能夠及時(shí)排出，電池組后期的熱擴(kuò)散速率有所減緩。由此說明，上蓋的存在會(huì)在一定程度上加快模組的熱擴(kuò)散速率。

圖7 半封閉環(huán)境下電池模組溫度-電壓-時(shí)間曲線Fig.7 Temperature-voltage-time curve of modules under semi-closed environment

圖8 是Bat1和Bat2試驗(yàn)結(jié)果曲線。從圖中可以看出，電壓出現(xiàn)突降比溫度驟升早1～3 s，Bat1的最

圖8 Bat1和Bat2試驗(yàn)結(jié)果曲線Fig.8 Test results of Bat1 and Bat2

大溫升速率達(dá)到120℃/s。Bat1發(fā)生熱失控以后，Bat2的溫度開始緩慢上升，溫升速率可達(dá)3.6℃/s。隨著Bat1的溫度達(dá)到最高值，Bat2的溫升速率緩慢下降。當(dāng)溫度達(dá)到154.1℃時(shí)，溫升速率突然增加，最高溫升速率約為52℃/s，說明Bat2內(nèi)部發(fā)生了自產(chǎn)熱反應(yīng)，電池發(fā)生熱失控，其熱失控溫度略低于開放環(huán)境下Bat2的熱失控溫度。其原因是上蓋的存在減緩了電池組的熱量損失，增加了Bat2的平均溫度，導(dǎo)致其內(nèi)部材料活性增強(qiáng)，電池更容易發(fā)生熱失控。

2.4 不同環(huán)境下熱擴(kuò)散行為對比分析

表1 是不同環(huán)境下電池模組熱擴(kuò)散關(guān)鍵參數(shù)數(shù)值。環(huán)境1表示開放環(huán)境，環(huán)境2表示增加隔熱材料環(huán)境，環(huán)境3表示半封閉環(huán)境。從表中可以看出，隨著環(huán)境的改變，第1塊電池發(fā)生熱失控的時(shí)間都在650 s左右，第一塊電池的熱失控溫度都在100℃左右，沒發(fā)生太大的改變。這是由于加熱片直接粘貼于電池表面，模組四周和底部使用了隔熱措施，上側(cè)未使用隔熱措施，熱量從上側(cè)逸出量少，3種環(huán)境下第1塊電池都充分吸收了加熱片的熱量。通過對比環(huán)境1和環(huán)境2可以發(fā)現(xiàn)，增加隔熱措施后，模組的熱擴(kuò)散速率得到了極大的延緩，由379.5 s延長至1 329.5 s，熱擴(kuò)散時(shí)間延長了3.5倍左右。但是，增加模組上蓋后，模組的熱擴(kuò)散速率又開始加快，從1 329.5 s減少到781.2 s。由于增加上蓋后，電池產(chǎn)生的熱量積存在模組內(nèi)，而不增加上蓋的模組熱失控后高溫?zé)煔夂突鹧嫒肯蛲鈬娚洌瑢δ＝M內(nèi)其他電芯的影響較小，故增加上蓋后電池的熱擴(kuò)散速率增加。

表1 不同環(huán)境下電池模組熱擴(kuò)散關(guān)鍵參數(shù)數(shù)值Tab.1 Key parameters of thermal runaway propagation under different conditions

圖9 是不同環(huán)境下模組熱擴(kuò)散時(shí)間間隔。由于電池的熱失控溫度與熱傳導(dǎo)速率和熱傳導(dǎo)時(shí)間有很大的關(guān)系，對T2～T5的熱失控溫度和時(shí)間間隔進(jìn)行聯(lián)合分析。

圖9 不同環(huán)境下模組熱擴(kuò)散時(shí)間間隔Fig.9 Thermal runaway propagation time interval of modules under different conditions

在不同環(huán)境下，第1塊電池到第2塊電池?zé)釘U(kuò)散的時(shí)間間隔最短，其與電池?zé)崾Э睾蟪霈F(xiàn)膨脹，對周圍電池?cái)D壓有很大的關(guān)系。不增加隔熱措施條件下，模組的熱擴(kuò)散時(shí)間間隔逐漸增加，Bat2～Bat5的熱失控溫度也在逐漸增加，說明電池的熱失控溫度與電池吸收熱量的速率有很大關(guān)系。在電池之間增加隔熱材料后，模組的熱擴(kuò)散時(shí)間間隔增大，說明增加隔熱材料能夠延緩電池模組的熱擴(kuò)散速率。此外，試驗(yàn)中使用的隔熱材料具有一定的可壓縮性，能夠吸收一定量的電池?zé)崾Э禺a(chǎn)生的膨脹力，減小相鄰電池的擠壓變形量，延長熱擴(kuò)散的時(shí)間。因此，在模組或電池包設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇熱導(dǎo)率小且具有一定可壓縮性的隔熱材料。相對于環(huán)境2，環(huán)境3只增加了模組的上蓋，其他未做改變，而模組的熱擴(kuò)散時(shí)間間隔卻大為縮短，且第2塊電池的熱失控溫度也大幅降低，甚至低于完全開放環(huán)境。由此說明，電池?zé)崾Э睾螽a(chǎn)生的高溫高壓氣體對熱失控的蔓延具有很大的影響，能夠增加模組的熱擴(kuò)散速率。因此，在模組和電池包安全防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該增加定向煙氣排放通道，以減弱高溫高壓氣體對鄰近電池的影響。由于受到上蓋的影響，高溫氣體不能夠及時(shí)排出，導(dǎo)致第5塊電池的外部環(huán)境溫度迅速增加，因此熱擴(kuò)散時(shí)間間隔縮短而熱失控溫度上升，下面章節(jié)將結(jié)合模組的熱擴(kuò)散過程具體分析此現(xiàn)象。

綜合以上分析，在設(shè)計(jì)或評估模組或電池包的熱擴(kuò)散防護(hù)功能時(shí)，要綜合考慮隔熱材料、煙道分布和火焰的影響。

2.5 不同環(huán)境下熱擴(kuò)散過程對比分析

圖10 是不同環(huán)境下模組的熱擴(kuò)散過程。從圖中可以看出，電池起火燃燒大致經(jīng)歷了煙氣噴射-劇烈燃燒-穩(wěn)定燃燒-熄滅4個(gè)過程，其火焰溫度可達(dá)到1 200℃以上。模組的熱擴(kuò)散過程則是單塊電池起火燃燒過程的重復(fù)，直至模組內(nèi)所有電池全部發(fā)生熱失控。相對于環(huán)境1，環(huán)境2和環(huán)境3增加了隔熱材料后，Bat1吸收加熱片的熱量更多，導(dǎo)致其內(nèi)部反應(yīng)更加劇烈，在煙氣噴射時(shí)夾雜著大量熾紅的固液混合物質(zhì)。相對于開放環(huán)境，增加模組上蓋后，Bat1的火焰在模組四周蔓延，周圍的電芯將經(jīng)歷短時(shí)間的火烤，加速周圍電芯發(fā)生熱失控。因此，環(huán)境3條件下Bat2的熱失控溫度相對較低。隨著Bat2發(fā)生熱失控，上蓋被燒穿，出現(xiàn)破洞，火焰噴射而出。相對于環(huán)境2，環(huán)境3中始終存在上蓋，電池始終受到烘烤的影響，其熱擴(kuò)散的時(shí)間間隔較短，熱失控溫度較高。

圖10 不同環(huán)境下模組熱擴(kuò)散過程Fig.10 Thermal runaway propagation process of modules under different conditions

3 結(jié) 論

以高比能三元鋰離子電池為研究對象，對比分析了開放環(huán)境、增加隔熱材料和半封閉環(huán)境下模組的熱擴(kuò)散行為，研究了模組的熱擴(kuò)散延滯期變化規(guī)律和起火燃燒過程，結(jié)果表明：①相對于開放環(huán)境，增加1.5 mm厚的玻璃纖維紙隔熱材料后，電池的膨脹被吸收，傳熱受到阻礙，模組的延滯期由379.5 s延長至1 329.5 s，熱擴(kuò)散時(shí)間延長了3.5倍左右，極大程度上延緩了模組的熱擴(kuò)散；②相對于增加隔熱材料環(huán)境，半封閉環(huán)境下模組受到火焰的炙烤影響，模組的熱擴(kuò)散延滯期縮短到781.2 s，電池的最大溫升速率超過3 000℃/min；③電池起火燃燒經(jīng)歷了煙氣噴射-劇烈燃燒-穩(wěn)定燃燒-熄滅4個(gè)過程，其火焰溫度超過1 200℃；④由于上蓋的影響，半封閉環(huán)境下模組不僅受到火焰的熱輻射影響，還會(huì)受到火焰的炙烤影響，加快了模組的熱擴(kuò)散速率，這也說明了火焰對模組的熱擴(kuò)散具有很強(qiáng)的促進(jìn)作用。

因此，在高比能鋰離子電池模組設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)選擇低導(dǎo)熱系數(shù)的可壓縮隔熱材料，吸收電池?zé)崾Э氐呐蛎洠p小電池之間的熱量傳遞。由于工程應(yīng)用中，模組需要上蓋的保護(hù)防止外部短路，對于具有泄壓閥的電池，可適當(dāng)在上蓋預(yù)留泄壓出口，減弱模組內(nèi)電池受到炙烤的影響。■