如何防止动力电池热失控

动力电池产业发展迅猛、前景广阔，然而其安全问题仍亟需解决。中国科学院院士、中国电动汽车百人会执行副理事长欧阳明高表示，为了解决动力电池安全问题，我国建立了清华大学电池安全实验室，开展了动力电池安全防控研究，这其中就包括动力电池热失控主动安全防控技术。

欧阳明高从四个方面，对动力电池热失控主动安全防控技术进行了详细介绍。

电池充电析锂与快充控制

近期发生的充电事故的分析表明，主要是不当快速充电或过充引发电池析锂，导致热失控温度大幅度下降，从219℃下降到107℃，并与电解液剧烈反应，导致电池在107℃发生热失控。

通过实验表征发现，在快充的时候能够明显看出析锂的产生，实验室通过对析锂机理进行研究，发现了析锂的完整过程，包括电池充电过程负极表面锂析出和重新嵌入，析出过程就是负极零电位之后形成，在电池停止充电之后，电位会恢复到零电位以上，这个时候会重新嵌入，然后所有的可逆锂均完全溶解，负极不再发生反应。

实验室对这个机理建立了仿真模型，在常规电池准二维（P2D）模型基础上加入析锂反应的过程，并在此基础上进行了仿真和验证。从仿真结果看，可以成功模拟充电析锂后电池静置过程中的电压平台，这个平台是重新嵌入的过程。对上述电压平台进行微分处理，可以定量得到整个析锂全过程的时间。以这个时间为一个变量，实验室可以建立经验公式计算出析锂量。

电池内短路与电池管理

内短路是电池热失控的共性环节，各种各样的原因都可能产生不同类型的内短路，包括机械变形、挤压、撕裂、隔膜破裂、过充过放、极端过热。更危险的一种内短路是自引发内短路，如波音787的事故，是在制造过程中引入的杂质和颗粒，在长期运行之后累积演变发生的。枝晶生长是可以模拟的，而内短路是较难进行实验再现的现象，需要发展各种各样的替代实验方法。实验室发明了一种新的替代实验方法进行內短路的模拟测试，主要是将特制的具有尖刺结构的记忆合金内短路触发元件植入电池内部，升温使尖刺结构翘起并刺穿隔膜，模拟内短路过程。通过该实验发现主要的内短路类型包括，铝-铜、正极-铜、铝-负极、正极-负极等四种电路。其中有的是立即发生热失控，如铝和负极的接触，而正极和负极接触一般不会发生热失控，铝和铜接触的危险程度也比较高，但是不一定马上引发内短路。

实验室对热失控内短路建立仿真模型，其中很重要的是内短路位置的熔断，这种熔断可能导致整个内短路终止，也有可能导致更剧烈的内短路发生。为此，实验室对影响这种熔断的各种参数进行了分析，对整个内短路发生演变的过程进行了综合分析和总结，在此基础上，提出为防止发生热失控，必须要在早期阶段将内短路检测出来。

单体电池热失控与热设计

隔膜材料发生了很多变化，从PE、PP、PE+Ceramic到PET材料，隔膜的耐热温度已经很高，可以达到300℃;与此同时，正极材料从早期的LFP，到NCM111、NCM523、NCM622，再到现在的NCM811，正极材料的释氧温度在逐步降低。随着这两种技术的变化，热失控的机理也在发生变化。早期电池大多由于隔膜崩溃引发大规模内短路引发热失控，但目前使用的耐高温隔膜配811正极动力电池，其热失控的机理已经发生变化，正极材料释氧变成了引发热失控的主因。实验结果表明，在没有内短路的情况下，把隔膜完全去掉，电解液抽干依然会发生热失控。当把正负极粉末混合进行测试，会出现剧烈的放热峰值。通过进一步的分析发现，充电态正极材料在250℃左右开始出现相变，并释放活性氧，产生的氧气与负极发生反应，放热量急剧增加，因此在新电池体系中，正负极氧化还原反应产生大量热量是导致热失控的直接原因，而不仅仅是传统电池体系中隔膜崩溃导致内短路引发热失控。

电池系统的热蔓延与热管理

如果前面所有方法都失效，就要从整个系统的角度来考虑问题。比如剧烈碰撞或者底盘被锐利物质刺穿，会立即热失控，这是时有发生的，这种热失控只能从系统层面解决。

在一系列测试的基础上，实验室进行了热蔓延抑制设计，包括隔热设计和散热设计，隔热设计是利用不同隔热材料防止模块热蔓延，散热设计是不同液冷流量对热蔓延进行抑制。在一般的电池系统中，隔热和散热单独就可以解决热蔓延的过程，但是在新电池体系中，需要把隔热和散热两者结合起来抑制热蔓延，这就是所谓的防火墙技术。

本文根据2019 中国（青海）锂产业与动力电池国际高峰论坛上欧阳明高发言速记整理，有删减，未经本人审阅。