航空動(dòng)力鋰離子電池?zé)崾Э馗邷嘏c沖擊危害的被動(dòng)防護(hù)包容性

關(guān)鍵詞：鋰離子電池；熱沖擊；防火涂層；被動(dòng)防護(hù)；熱失控包容性

促進(jìn)綠色交通體系的發(fā)展是實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的關(guān)鍵措施之一[1]。在航空領(lǐng)域，推動(dòng)綠色航空發(fā)展已成為國(guó)際社會(huì)的共同目標(biāo)。電動(dòng)飛機(jī)作為一種清潔、高效的交通方式，正逐步成為廣泛關(guān)注的焦點(diǎn)[2-3]。然而，電動(dòng)飛機(jī)的廣泛應(yīng)用存在一系列新的挑戰(zhàn)，鋰離子電池防火安全問題是關(guān)鍵之一。作為電動(dòng)飛機(jī)的主要能源儲(chǔ)存設(shè)備[4-5]，鋰離子電池在提供高能密度的同時(shí)，也存在著火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。過充、過熱、外部沖擊等因素可能引發(fā)鋰離子電池內(nèi)部的熱失控[6-8]，從而產(chǎn)生大量噴射火以及由氣體、蒸氣和顆粒組成的高溫混合物[9]。電池?zé)崾Э氐臒釠_擊是指高溫混合物的高溫沖擊以及其攜帶的壓力沖擊。這種耦合沖擊可能會(huì)損壞甚至燒穿電池包上蓋板[10]，進(jìn)而燒毀周邊其他設(shè)備、結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)，造成災(zāi)難性事件發(fā)生。基于此，民航對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э匕菪蕴岢隽嗣鞔_的適航要求[11-12]。

熱失控包容性是指通過對(duì)電池系統(tǒng)采取主動(dòng)管理或被動(dòng)防護(hù)技術(shù)，使其能夠包容電池?zé)崾Э匾l(fā)的熱沖擊危害、毒性危害以及氣體爆炸危害的影響，無(wú)碎片釋放，無(wú)火焰逸出，且有害排放物符合規(guī)定的排放類別。其中，主動(dòng)管理通常由電池管理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)健康檢測(cè)并根據(jù)需求采取控制策略；被動(dòng)防護(hù)技術(shù)則依靠不同的熱控材料和總裝布局協(xié)調(diào)，降低熱失控危害。被動(dòng)防護(hù)技術(shù)在空間和重量方面具備顯著優(yōu)勢(shì)，是熱失控包容性設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。常見被動(dòng)防控措施所用材料多為云母板和氣凝膠。然而，云母板的使用降低了電池包的能量密度和空間利用率，且在遭受較大震動(dòng)時(shí)存在開裂的風(fēng)險(xiǎn)；氣凝膠的成本較高，限制其在動(dòng)力電池領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。較之云母板和氣凝膠，防火涂料厚度通常不超過2mm，不會(huì)侵占電池包的內(nèi)部空間，滿足電池包的輕量化設(shè)計(jì)需求，可在電池發(fā)生熱失控的緊急情況下在表面產(chǎn)生顯著的體積膨脹，有效地保護(hù)基材免受熱源的影響，提供良好的防火以及抗沖擊效果[13-15]。

針對(duì)鋰離子電池?zé)釠_擊危害，已開展的相關(guān)研究可作為熱失控包容性設(shè)計(jì)的重要參考。Chen等[16]使用3臺(tái)高清攝像機(jī)和1臺(tái)高速攝像機(jī)從不同角度分析了鋰離子電池?zé)崾Э匦袨楹蛧娚浠鹧嫜葑儯?duì)熱釋放速率進(jìn)行了預(yù)測(cè)。Kong等[17]以O(shè)penFOAM為框架建立了一種數(shù)值模型，對(duì)不同荷電狀態(tài)（stateofcharge，SOC）下鋰離子電池的排氣流動(dòng)速度、噴射火焰高度和峰值熱釋放速率進(jìn)行了數(shù)值求解。Wang等[18]研究了大容量磷酸鐵鋰離子電池的產(chǎn)氣和火焰行為，發(fā)現(xiàn)火焰溫度遠(yuǎn)高于產(chǎn)氣溫度，熱失控噴射火焰的危險(xiǎn)性主要表現(xiàn)在高溫火焰以及強(qiáng)烈的熱輻射。Chen等[19]測(cè)量了在燃燒室中鋰離子電池火災(zāi)時(shí)噴射火焰攜帶的沖擊壓力。Chen等[20]研究了在半密閉空間內(nèi)鋰離子電池初爆和熱失控時(shí)氣體噴射造成周圍環(huán)境的壓力變化，分析了這種沖擊壓力可能對(duì)人體造成的傷害。綜上，當(dāng)前關(guān)于電池?zé)釠_擊的研究多為對(duì)電池噴射火焰特性或者熱失控沖擊壓力特性的單獨(dú)研究，對(duì)電池噴射物的高溫沖擊和壓力沖擊的綜合研究相對(duì)有限。

量化研究電池噴射物的高溫沖擊和壓力沖擊影響的特性指標(biāo)，可有效驗(yàn)證防火涂層被動(dòng)防護(hù)技術(shù)對(duì)于熱失控危害的綜合包容效果。本研究通過實(shí)驗(yàn)探究不同SOC的鋰離子電池?zé)崾Э馗邷貒娚湮镌斐傻母邷貨_擊以及壓力沖擊對(duì)上方頂板造成的危害，分析環(huán)氧樹脂基膨脹型防火涂料的阻燃特性，確定該防護(hù)措施對(duì)熱沖擊包容的有效性。為確定涂層在應(yīng)用中的最佳厚度，通過實(shí)驗(yàn)分析0.5、1.0和2.0mm厚涂層對(duì)100%SOC電池?zé)崾Э責(zé)釠_擊的包容效果，并最終驗(yàn)證1.0mm厚涂層的熱沖擊包容效果是否滿足適航要求。

1鋰離子電池?zé)釠_擊危險(xiǎn)性分析

1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)選取正極材料為L(zhǎng)iNi1/3Co1/3Mn1/3O2（NCM）的圓柱形鋰離子電池進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，額定容量為2.6A·h。使用恒流-恒壓的充電模式對(duì)實(shí)驗(yàn)用鋰離子電池分別充電至25%、50%、75%和100%的SOC。考慮到實(shí)際應(yīng)用中常見的場(chǎng)景，選用了廣泛應(yīng)用于電池包外殼的鋁合金作為基礎(chǔ)材料[21-22]。

圖1為熱沖擊測(cè)試平臺(tái)示意圖，實(shí)驗(yàn)裝置由固定裝置、熱電偶和質(zhì)量傳感器組成。圖1中，熱電偶布置于受沖板背火面中心處，用于測(cè)量鋁板被沖擊點(diǎn)的溫度變化；質(zhì)量傳感器用于測(cè)算電池?zé)崾Э卦斐傻臎_擊壓力。

由于質(zhì)量傳感器測(cè)量結(jié)果為熱沖擊引發(fā)的質(zhì)量變化，為了方便量化熱失控沖擊值，通過下式計(jì)算沖擊壓力：

將單節(jié)電池置于圖1所示的熱沖擊測(cè)試平臺(tái)內(nèi)，使其豎直固定在沖擊板中心下方10mm處，使用60W的加熱棒來(lái)觸發(fā)電池的熱失控。實(shí)驗(yàn)中通過采集溫度和壓力數(shù)據(jù)來(lái)表征電池?zé)釠_擊危險(xiǎn)性。

1.2熱沖擊危險(xiǎn)性分析

電池在加熱過程中溫度持續(xù)上升，首先安全閥發(fā)生破裂，高溫白煙通過破裂的安全閥從電池頂部冒出。隨著冒煙速率不斷增大，電池最終發(fā)生了熱失控，強(qiáng)烈的火焰從鋰離子電池頂部噴出，并帶有大量排出的高溫氣體和顆粒。電池?zé)崾Э仉A段產(chǎn)生了較高的噴射火力和沖擊壓力，從而對(duì)頂板造成機(jī)械沖擊傷害并導(dǎo)致頂板撞擊點(diǎn)區(qū)域溫度大幅上升。

圖2為在不同SOC的電池沖擊下頂板背面的最高溫度Tmax和頂板所受的最高沖擊壓力pmax。由圖2中的溫度曲線可知，當(dāng)電池處于25%SOC時(shí)，熱沖擊造成鋁板溫升最低，最高溫度為89.9℃。這是因?yàn)椋瑹崾Э胤磻?yīng)劇烈程度較低，較低的可燃?xì)怏w濃度和噴射速度導(dǎo)致輕度燃燒，頂板受熱量較少。SOC越高，熱沖擊造成鋁板的溫升越高，在滿SOC狀態(tài)下沖擊溫度高達(dá)274℃。這種趨勢(shì)表明，熱沖擊的最高溫度隨SOC的提高而升高。這是因?yàn)椋琒OC越高，電池內(nèi)部?jī)?chǔ)存的化學(xué)能量越多，而且電池內(nèi)部電解液和電極材料的反應(yīng)性增強(qiáng)，使熱失控現(xiàn)象更劇烈。此外，高SOC的電池產(chǎn)生的排氣混合物可燃性范圍更寬，因此更容易被點(diǎn)燃，從而引發(fā)更劇烈的燃燒。由圖2中的沖擊壓力曲線可知，當(dāng)電池SOC分別為25%、50%和75%時(shí)，熱失控噴射產(chǎn)生的最大沖擊壓力分別為0.85、2.44和5.09kPa，最高沖擊壓力相對(duì)較低。然而，100%SOC下，最大沖擊壓力急速上升至13.23kPa。隨著SOC的提高，電池的熱失控反應(yīng)變得更劇烈，參與反應(yīng)的物質(zhì)總量增多。在安全閥失效前，電池內(nèi)部積累的氣體量增大，釋放的能量也隨之增加，導(dǎo)致氣體和顆粒物的噴射量和速度大幅提高，從而對(duì)頂板產(chǎn)生更強(qiáng)的沖擊。

綜上所述，鋰離子電池?zé)釠_擊不僅會(huì)對(duì)電池正極正上方單元施加較大的熱負(fù)荷，還會(huì)引起機(jī)械傷害，兩者的耦合效應(yīng)加劇了安全風(fēng)險(xiǎn)，將破壞電池包的結(jié)構(gòu)完整性。火焰噴射以及高溫氣體和顆粒的排出導(dǎo)致頂板撞擊點(diǎn)溫度急劇升高，形成局部過熱，伴隨明顯的溫度梯度，產(chǎn)生巨大的熱應(yīng)力，顯著降低外殼的強(qiáng)度。在滿SOC狀態(tài)下，頂板溫度達(dá)到274℃，參考?xì)W洲規(guī)范規(guī)定的鋁合金高溫力學(xué)性能參數(shù)[23]得知，此時(shí)鋁板受沖擊區(qū)域的屈服強(qiáng)度至少下降了45%。同時(shí)，熱失控引發(fā)的機(jī)械沖擊使電池包上蓋板瞬間承受壓力沖擊。此外，電池?zé)崾Э氐亩嗝字Z效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致外殼經(jīng)歷多次高溫沖擊的累積損傷[24]。這種疊加效應(yīng)加劇了外殼發(fā)生塑性變形、屈曲甚至破壞的風(fēng)險(xiǎn)，從而導(dǎo)致電池包內(nèi)的易燃或有毒氣體泄漏，進(jìn)而引發(fā)更嚴(yán)重的后果。因此，針對(duì)電池?zé)釠_擊，特別是在滿SOC狀態(tài)下，必須采取有效措施來(lái)降低熱沖擊和機(jī)械沖擊的危害，以確保電池系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

2防火涂層抗熱沖擊特性

2.1防火涂層材質(zhì)

由上文中的危險(xiǎn)性分析可知，電池?zé)崾Э胤雷o(hù)不僅需應(yīng)對(duì)噴射物的高溫風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)還需抵抗機(jī)械沖擊危害。因此，電池被動(dòng)防護(hù)技術(shù)所選涂料需具備較高的防火能力和抗沖擊能力。實(shí)驗(yàn)中選用E80S20和E85S15B3環(huán)氧樹脂基膨脹型防火涂料，其主要構(gòu)成包括E51環(huán)氧樹脂、坡縷石（Si8O20Mg5（Al）（OH）2（H2O）4·4H2O）、有機(jī)硅樹脂、聚磷酸銨（ammoniumpolyphosphate，APP）、三聚氰胺（melamine，MEL）、季戊四醇（pentaerythritol，PER）、碳化硼、海泡石（Si12Mg8O30OH）4（OH2）48·H2O）以及593固化劑[15]，配方見表1。

涂層在受熱時(shí)，配方中的聚磷酸銨、季戊四醇和三聚氰胺之間會(huì)發(fā)生協(xié)同反應(yīng)，環(huán)氧樹脂和有機(jī)硅樹脂會(huì)發(fā)生分解反應(yīng)，這些反應(yīng)均為吸熱反應(yīng)，可以消耗熱量并起到一定的冷卻作用。其次，聚磷酸銨、三聚氰胺成分在反應(yīng)過程中會(huì)產(chǎn)生不可燃?xì)怏w和水蒸氣，有效稀釋O2濃度，可氣相阻燃。此外，涂層受熱會(huì)形成泡沫狀膨脹炭層，炭層將熱源與基材隔離，有效地減少了電池噴射物對(duì)鋁板的傳熱量[13，15，25]。

2.2涂層防護(hù)特性實(shí)驗(yàn)設(shè)置

涂層的防護(hù)特性可依據(jù)GB/T12441－2018《飾面型防火涂料》和ISO5660-1《著火反應(yīng)試驗(yàn)：放熱、產(chǎn)煙和質(zhì)量損失率》進(jìn)行大板燃燒實(shí)驗(yàn)和錐形量熱儀實(shí)驗(yàn)獲取[26-27]。大板燃燒實(shí)驗(yàn)通過模擬真實(shí)火災(zāi)情境，測(cè)試材料的隔熱效果和耐火性能。實(shí)驗(yàn)采用丁烷噴槍模擬電池?zé)崾Э鼗鹧鏈囟?200～1300℃。實(shí)驗(yàn)板尺寸為100mm×100mm×1mm，在其表面均勻涂制厚度為1.5mm的阻燃涂層。涂層在室溫下固化24h后實(shí)施大板燃燒實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，噴槍噴嘴到涂層表面的距離（火焰長(zhǎng)度）保持8cm。在涂層背面安裝K型熱電偶，并通過數(shù)據(jù)采集裝置記錄背面溫度的變化。錐形量熱儀實(shí)驗(yàn)主要研究材料在受熱時(shí)的燃燒行為和熱釋放特性。實(shí)驗(yàn)試樣尺寸為100mm×100mm×4mm，使用Vouch6180儀器對(duì)涂層樣品進(jìn)行測(cè)試，輻射通量設(shè)定為35kW/m，測(cè)試操作方法嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)程序完成。

2.3涂層防護(hù)特性分析

圖3展示了大板燃燒實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。E80S20涂層和E85S15B3涂層均表現(xiàn)出優(yōu)異的阻燃性能，在丁烷火焰沖擊下有效降低了背火面的最高溫度，并在測(cè)試過程中顯示出較強(qiáng)的耐久性。背火面的溫度呈現(xiàn)出先快速上升后逐漸下降并趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)。在火焰沖擊的前8min內(nèi)，各涂層的背面溫度迅速達(dá)到峰值，分別為221和184℃。由于E85S15B3涂層中添加了碳化硼，在高溫下生成硼硅酸鹽玻璃，增強(qiáng)了其熱障性能，因此其阻燃效果更加出色。隨后，所有涂層的背火面溫度均有所下降，這是由于殘?zhí)康呐蛎浲瓿杉皟?nèi)部持續(xù)進(jìn)行的吸熱反應(yīng)所致。最后溫度趨于平穩(wěn)，表明涂層內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)和物理變化達(dá)到了平衡狀態(tài)。

表2為涂層樣品的錐形量熱測(cè)試結(jié)果。表中分別記錄了樣品的點(diǎn)火時(shí)間（timetoignition，TTI）、熱釋放速率峰值（peakheatreleaserate，PHRR）、總放熱量（totalheatrelease，THR）以及質(zhì)量殘留率（massresidualratio，MRR）。E80S20涂層較之E85S15B3涂層的點(diǎn)火時(shí)間推遲了2s，這表明E80S20涂層的早期熱隔離性能更為顯著，能夠在短時(shí)間內(nèi)有效抑制初期熱量傳遞，從而推遲材料的點(diǎn)燃。PHRR和THR反映了材料的阻燃性能，數(shù)值越低，阻燃性能越好。2類涂層PHRR和THR均相對(duì)較低，能夠很好地抑制燃燒放熱，減緩熱沖擊的溫度影響。E85S15B3涂層的熱釋放速率和總熱釋放量都更低，具有更好的防火性能。此外，2種涂層在作用后質(zhì)量殘留率相當(dāng)，這表明兩者在燃燒過程中的耐火性和抗分解能力相對(duì)接近。

圖4為錐形量熱測(cè)試后E80S20和E85S15B3涂層的形貌照片。2類涂層在實(shí)驗(yàn)過程中均經(jīng)歷了不同程度的膨脹，變成了明顯的山丘狀結(jié)構(gòu)。涂層的熱膨脹過程會(huì)發(fā)生吸能效應(yīng)，將分散沖擊所帶來(lái)的部分機(jī)械應(yīng)力。對(duì)比圖4中的膨脹高度可知，E80S20涂層的膨脹性能略強(qiáng)于E85S15B3涂層。由于E80S20中含有較高比例的有機(jī)硅樹脂，在受熱時(shí)會(huì)發(fā)生更顯著的膨脹，從而減輕了更多的沖擊壓力。

綜上所述，E80S20涂層和E85S15B3涂層均可對(duì)高溫沖擊產(chǎn)生一定程度的防護(hù)作用，且E85S15B3涂層的防火效果較好，E80S20涂層緩解機(jī)械沖擊的效果更佳。

3防火涂層厚度的優(yōu)選

防火涂層厚度直接決定了防護(hù)效果。現(xiàn)有技術(shù)生產(chǎn)的膨脹型涂層干膜厚度需在0.5mm以上才能達(dá)到較好的阻燃隔熱效果[28]，且在實(shí)際應(yīng)用中膨脹型涂層厚度通常不超過2.0mm[15]。通過圖1中熱沖擊測(cè)試平臺(tái)，分別測(cè)試厚0.5、1.0和2.0mm防火涂層的防護(hù)效果。

圖5為不同涂層厚度下受沖板背火面最高溫度Tmax和受沖板所受的最大沖擊壓力pmax，Tmax和pmax分別反映了防火涂層對(duì)電池?zé)崾Э馗邷睾蛪毫_擊的阻隔效果。由圖5（a）可知，防火涂層顯著降低了鋁板的峰值溫度，以1.0mm厚的涂層為例，鋁板背火面的最高溫度分別降至106.31和89.31℃，在該溫度下，鋁板受沖擊區(qū)域的屈服強(qiáng)度僅下降了約5%，此時(shí)鋁板的力學(xué)性能與常溫下幾乎無(wú)異，能夠有效維持其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。由圖5（b）可知，防火涂層在一定程度上還減緩了鋁板受到的沖擊壓力。這意味著，涂層的使用不僅有效防止了高溫導(dǎo)致的鋁板強(qiáng)度下降，還減少了作用于鋁板的機(jī)械載荷，降低了其發(fā)生塑性變形或屈曲的風(fēng)險(xiǎn)。此外，對(duì)比2個(gè)涂層包容效果發(fā)現(xiàn)，同等厚度下，E85S15B3涂層高溫包容效果均優(yōu)于E80S20涂層，E80S20涂層沖擊壓力包容效果均優(yōu)于E85S15B3涂層，這與第2節(jié)中的研究結(jié)果相印證。

為實(shí)現(xiàn)定量分析不同厚度涂層對(duì)電池高溫沖擊的防護(hù)效果，采用下述公式對(duì)不同厚度涂層在電池?zé)崾Э厍樾蜗碌陌菪ЧM(jìn)行計(jì)算：

式中：CT為高溫包容效果，Tb為采取包容措施前的受沖擊板背面最高溫度，Ta為采取包容措施后的受沖擊板背面最高溫度，Cp為沖擊壓力包容效果，pb為采取包容措施前的最高沖擊壓力，pa為采取包容措施后的最高沖擊壓力。

E80S20涂層和E85S15B3涂層的包容效果見表3。由表3可知，E80S20涂層和E85S15B3涂層的熱沖擊包容效果隨厚度增大呈現(xiàn)增速趨緩的趨勢(shì)。當(dāng)厚度超過1.0mm后，增大厚度對(duì)熱沖擊的包容效果增益下降，且增加幅度不再顯著。盡管增大涂層厚度可增強(qiáng)其防護(hù)效用，但考慮到材料成本、施工成本和維護(hù)成本以及增大涂層厚度會(huì)增大涂層與基材之間的剪切力，導(dǎo)致附著力降低而影響涂層的穩(wěn)定性和耐久性，綜合評(píng)估選取最優(yōu)涂層厚度為1.0mm。

4被動(dòng)防護(hù)包容效果分析

4.1實(shí)驗(yàn)設(shè)置

搭建鋰離子電池?zé)崾Э匕菪詫?shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖6所示，以驗(yàn)證被動(dòng)防火涂層的包容效果。實(shí)驗(yàn)艙為一個(gè)由不銹鋼制成的矩形體，尺寸為200mm×150mm×120mm。其上表面為可更換的鋁板，通過螺栓固定以確保艙體的密閉性。2節(jié)鋰離子電池并排放置于實(shí)驗(yàn)艙的中央位置，電池的安全閥與涂層之間的距離為10mm。電池之間放置一根功率為60W的加熱棒，用于觸發(fā)電池?zé)崾Э亍Ｍ繉雍穸仍O(shè)定為1.0mm。實(shí)驗(yàn)過程中，使用紅外熱成像儀對(duì)實(shí)驗(yàn)板背火面（外表面）溫度分布進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

4.2防火涂層被動(dòng)防護(hù)方法包容效果

圖7展示了鋁板在電池?zé)崾Э馗邷貨_擊后的表面殘留物。其中，無(wú)涂層鋁板表面被熱失控噴射的顆粒覆蓋，有涂層鋁板表面覆蓋了涂層吸熱膨脹燃燒后形成的殘?zhí)亢臀降臒崾Э仡w粒。由于材料的炭層強(qiáng)度不同，使得殘?zhí)勘砻婢嬖谥煌笮〉钠茐暮圹E。相較于E80S20涂層，E85S15B3涂層的受損面積更小，殘?zhí)勘砻嬉哺又旅堋＿@說明E85S15B3涂層在電池高溫噴射物作用下具有更好的耐火和隔熱性能。較小的受損面積表明該涂層在高溫環(huán)境下能夠提供更有效的物理屏障，減緩火災(zāi)中的熱解反應(yīng)速率，降低了基材暴露于高溫環(huán)境中的程度。殘?zhí)勘砻嬷旅苄詣t意味著該涂層在熱分解過程中形成了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的保護(hù)層，有效抑制了熱量向基材的進(jìn)一步傳導(dǎo)。

圖8展示了紅外熱成像儀測(cè)量所得實(shí)驗(yàn)過程中鋁合金蓋板外表面的最高溫度，圖中Tavg為平均溫度。3組實(shí)驗(yàn)的峰值溫度分別為118.1、52.2和56.5℃。涂敷E80S20涂層和E85S15B3涂層后，蓋板最高溫度較空白組分別降低61.6和65.9℃，分別降低約52.16%和55.80%。這一結(jié)果表明，在包容性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，涂層材料依然能夠有效降低蓋板的峰值溫度，從而對(duì)電池?zé)崾Э匾l(fā)的高溫沖擊危害提供了有效防護(hù)。其中，E85S15B3涂層降溫效果更顯著，這與前文的分析結(jié)果一致。

圖9為鋁合金蓋板外表面在最高溫度時(shí)刻溫度分布的具體情況，圖中x為沖擊面的寬度，y為沖擊面的長(zhǎng)度。無(wú)涂層防護(hù)時(shí)，電池?zé)崾Э禺a(chǎn)生的高溫沖擊導(dǎo)致艙體上表面結(jié)構(gòu)溫度顯著升高，高溫區(qū)域的面積大，其中，溫度高于50℃的區(qū)域面積占比22.18%。相比之下，涂有涂層的鋁板有效地抑制了高溫?cái)U(kuò)散，明顯減小了高溫范圍，其中，溫度高于50℃的區(qū)域面積占比僅為0.48%和1.67%。此外，對(duì)比2類涂層發(fā)現(xiàn)，盡管E85S15B3涂層較E80S20涂層的峰值溫度低，但整個(gè)鋁板內(nèi)的平均熱量卻相對(duì)較高。E85S15B3涂層在受熱過程中生成碳化硅，其具有較高的熱導(dǎo)率，會(huì)使熱量更均勻地分布到整個(gè)蓋板上，從而有效降低了局部的峰值溫度。

圖10為無(wú)涂層和有涂層時(shí)鋁板外表面的最高溫度曲線。在無(wú)涂層實(shí)驗(yàn)中，由于無(wú)任何保護(hù)機(jī)制，電池發(fā)生熱失控時(shí)，鋁板表面溫度驟然升高，撞擊點(diǎn)區(qū)域溫度達(dá)到了118.1℃。由于密閉空間內(nèi)氧氣含量有限，可燃?xì)怏w燃燒反應(yīng)不完全，實(shí)驗(yàn)峰值溫度低于之前實(shí)驗(yàn)的最高溫度。有涂層實(shí)驗(yàn)中，電池發(fā)生熱失控時(shí)鋁板溫度均能保持在常溫附近，分別為28.7和21.5℃，溫度防護(hù)效果顯著。隨后，由于電池?zé)崾Э鼗鹧娴某掷m(xù)燃燒以及電池噴射物中的高溫顆粒黏附在鋁板上[29]，鋁板的溫度逐步上升并達(dá)到峰值。此外，防火涂層材料對(duì)溫度上升時(shí)間起到了有效延遲效應(yīng)，分別向后了32.4和28.4s。這表明，防火涂層材料可延緩熱量傳遞，具有良好的熱阻效用。

圖11為實(shí)驗(yàn)后鋁板受到電池?zé)崾Э馗邷貨_擊壓力后的形變狀態(tài)。電池?zé)崾Э馗邷貨_擊導(dǎo)致鋁板發(fā)生明顯形變和凸起。將鋁板凸起最高點(diǎn)與水平面的距離定義為最大凸起高度，表征涂層對(duì)沖擊壓力的包容作用。測(cè)量圖11中的鋁板凸起高度，3組實(shí)驗(yàn)鋁板凸起后的最大高度分別為10.0、3.5和6.0mm，殼體的最大凸起減小了6.5和4.0mm，形變降低72.2%和44.4%。這一顯著變化主要是因?yàn)椋繉油ㄟ^其熱膨脹吸收了部分沖擊能量，并通過隔熱效應(yīng)減緩了高溫對(duì)鋁板力學(xué)性能的削弱。這種綜合作用增強(qiáng)了殼體在高溫沖擊條件下的抗形變能力，進(jìn)一步提升了其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

5結(jié)論

研究了鋰離子電池?zé)崾Э禺a(chǎn)生的高溫與沖擊對(duì)電池艙體上蓋板的影響，并分析了被動(dòng)防護(hù)技術(shù)中防火涂層對(duì)此危害的包容效果和有效性，得到的主要結(jié)論如下。

（1）鋰離子電池?zé)釠_擊會(huì)對(duì)電池艙體上蓋板施加較大的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷，破壞電池包的結(jié)構(gòu)完整性，且這種破壞性與電池的SOC呈正相關(guān)。在滿SOC狀態(tài)下，電池?zé)崾Э刂率股仙w板最高溫度升至274℃，最大沖擊壓力達(dá)13.23kPa。

（2）實(shí)驗(yàn)采用的2種自研防火涂層均能夠抑制火焰燃燒并可以在受熱膨脹時(shí)減輕機(jī)械沖擊傷害。E85S15B3涂層在緩解高溫沖擊方面效果較優(yōu)，E80S20涂層在緩解沖擊壓力方面效果較好。

（3）E80S20涂層和E85S15B3涂層對(duì)電池?zé)崾Э馗邷睾蛪毫_擊的包容效果隨厚度增加呈現(xiàn)出增速趨緩的趨勢(shì)。當(dāng)厚度超過1.0mm后，增加厚度對(duì)熱沖擊的包容效果增益明顯下降，且增加幅度不再顯著。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，可以將涂層的涂覆厚度設(shè)置為1.0mm，以實(shí)現(xiàn)最佳的防護(hù)效果和材料利用率。

（4）參考相關(guān)適航要求進(jìn)行熱沖擊包容性驗(yàn)證，結(jié)果表明該涂層可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)熱沖擊危害的包容。厚度為1.0mmE80S20涂層和E85S15B3涂層分別使電池包頂板峰值溫度下降可52.16%和55.80%，殼體最高凸起形變分別降低了72.2%和44.4%。

本文的研究結(jié)果可為航空鋰離子電池的危險(xiǎn)性評(píng)估和熱失控包容性的設(shè)計(jì)提供參考。隨著電動(dòng)航空器的快速發(fā)展，對(duì)動(dòng)力電池包的安全要求將越來(lái)越高，而契合電池包輕量化特點(diǎn)的防火涂料有望得到越來(lái)越多的應(yīng)用。未來(lái)的研究應(yīng)著眼于開發(fā)更高效的防火涂層材料，進(jìn)一步提升其隔熱和抗沖擊性能，以增強(qiáng)電池包在熱失控情況下的包容效果。此外，還應(yīng)將被動(dòng)防護(hù)措施與主動(dòng)降溫措施相結(jié)合，構(gòu)建多層次的安全防護(hù)體系，最大程度地減少電池?zé)崾Э乜赡茉斐傻膿p害。