锂离子电池热失控防控技术研究进展

张越超，高秀玲，高金津

(天津市捷威动力工业有限公司，天津 300380)

0 引 言

锂离子电池凭借其自身的优势，在诸多领域当中都已经得到了广泛的应用，显著推进了电动汽车、便携式电子设备以及分布式储能系统的发展。不过与此同时，锂离子电池在安全方面的技术研究还有待进一步的加强，如锂离子电池可能在各种因素的影响下，或是由于其自身的劣化，而发生热失控，可能造成燃烧甚至爆炸等方面的安全问题，因此对锂离子电池热安全防控技术的研究与完善，就成为了进一步推广锂离子电池安全应用的前提。

1 锂离子电池热隔离装置

为提高锂离子电池的安全性，首先要选用有效的热隔离装置。锂离子一旦发生热失控，在电芯内各区域间、以及电芯之间的热扩展速度非常快，会产生大量的热以及可燃、可爆性烟雾，危险性非常高。通过采用热隔离装置，可以抑制电芯内部的热扩展速率，从而降低热失控概率，或降低电芯之间的热扩展速率和扩展程度，降低电池包整体的危害性。

通常来说，热隔离的材料越厚的话，其对于锂离子电池的安全性保护功能越强，但是在实践当中，却并不能一味的通过增加材料厚度来为锂离子电池提供安全保护，因为随着材料的增厚，电池的散热又会出现问题，并且电池模组的重量，还会大大的增加。因此，在锂离子电池热隔离装置方面，还需要更加科学、合理的研究和设计。例如应当通过对热隔离装置的结构配置，或是材料选择等，来优化热隔离效果。李婧霞等人[1]在研究中指出，在正极材料LiNi0.8Co0.15Al0.05O2(NCA)中加入Li Mn2O4(LMO)和LiFePO4(LFP)，制备成混合正极材料LMO/LFP/NCA，使小颗粒的LMO和LFP材料均匀地分散在NCA二次颗粒表面和NCA颗粒之间的空隙中，将热稳定性更高的LMO和LFP附着在热稳定性低的NCM材料表面和空隙中，起到材料层级的隔热作用，可以抑制、减缓NCA的热反应；同时，也减少了NCA与电解液的副反应，得到安全性能与循环性能皆优的电池。

王大鹏等人[2]的研究证明，电池表面对流传热系数可以抑制电池表面温度。另有公司专门设计了电池夹层结构，这种夹层结构的中间部分，是一层具有良好耐热性的材料，两边则是导热材料，这样既保证了电池散热，又阻隔了热传递。

2 锂离子电池热失控预警

胡晓亚等人[3]指出，在锂离子电池的安全防控中，热失控预警是最基本的技术措施，其重点需要从两个方面对电池情况走出监测。第一个方面，是对单个电池各项关键参数的监测，如温度、电流、电压等；第二个方面，是对整个电池组的监测，动态分析电池组在运行过程当中是否存在异常情况。

在实际的热失控防控技术需求中，对于锂离子电池的电流、电压以及温度等参数，都需要进行动态和实时的监测，高飞等人[4]指出这种监测结果的准确性、精准度，主要取决于传感器。当前，锂离子电池热失控的监控传感器，以光纤布拉格光栅传感器最受研究关注，它属于是一种间接测量传感器。如在工作中，电池的温度超过了预先设定的某一标准，光纤的传输就会发生质量变化，以此作为早期故障判断的依据，发出相应警报。

廖正海等人[5]在其研究当中指出，评价锂离子电池运行安全性的诸多因素中，内部气体扩散是需要引起高度重视的。因为锂离子电池如果出现了热失控方面的问题和隐患，随着温度的升高，便会产生气体，这是需要引起高度重视的，所以可以根据气体来判断锂离子电池的热安全性。苏伟等人[6]在研究中指出，当前通常可以利用红外光谱气体测量仪，来对可能产生的一氧化碳、二氧化碳进行监测，并发出警报。

3 锂离子电池消防安全

锂离子电池热安全事故，可能会导致发热甚至爆炸，因此在其热安全防控中，必须要考虑到消防安全处置。在这方面，应用得较早的是气体灭火系统，其能够在锂离子电池的运行过程当中，通过气体进行灭火，保证安全。不过需要引起重视的是，在气体灭火完成之外，在锂离子电池的内部，依然可能存在强烈的放热反应，导致火灾再次发生。为此，相比于气体灭火而言，超细水雾对锂离子电池的灭火效果更加良好，其既能够在短时间内，扑灭明火，同时还可以降低电池的热度，防止火灾再次复燃。

徐雪春[7]在研究中提出，当前虽然可以用于锂离子电池消防安全的技术方法较多，但是其实际效果是存在明显差异的，尤其是在抑制电池温度方面的表现上，差异较大。当前，已有相关的研究证明，如果采用全室喷水或水雾灭火系统，电池的内部是难以受到影响的，也就是说其内部火场不能被扑灭。水和低膨胀泡沫等热容量高的灭火剂具有快速冷却和灭火的作用。低膨胀泡沫降低了水的表面张力，这会提高水渗透的可能性，而高黏度的灭火剂不会扩散到电池火场。热容量较小的灭火剂，如高膨胀泡沫和氮气，冷却效果较差，但如果设计合理，仍然可以实现灭火。

目前锂离子电池消防安全所使用的灭火剂主要有三类，第一类是气态灭火剂，第二类是液态灭火剂，第三类是固态灭火剂。其中二氧化碳、HFC、IG-541等，都属于是气态灭火剂，其虽然能够起到灭火的作用效果，但是基本不具备降温能力，比热容较小。全氟己酮、水成膜泡沫、A-B-D、F-500等，属于是液态灭火剂，其一方面是能够对火灾起到有效的扑灭效果，同时更能降低电池的温度，具有较大的比热容。磷酸铵盐、氯化钠、硫酸铵、超细干粉等，则属于是固态灭火剂。其灭火原理是化学抑制和窒息灭火，灭火效果较差，气溶胶类灭火剂的主要作用是发生氧化还原反应产生大量的烟雾，达到窒息灭火的目的。

除了灭火材料的选择之外，灭火系统自身是否具有科学性、适用性，对其消防安全保障效果也具有直接的影响。例如，灭火系统首先需要敏感的传感器作为前端，监测、探查是否或火灾发生，以便做出快速、及时、租期内的反应。如有研究人员发明了一种灭火系统，当热失控事件发生并被传感器感知后，基于液汽相变除热原理的惰性高压制冷剂将通过电池组内特殊设计的路径喷射出来。还有研究人员尝试通过闭环空气冷却系统，来对锂离子电池的温度进行控制，如果发生了火灾事件，便经由螺线阀控制的进气口将惰性气体喷射到电池组。还有研究发明了一种电动汽车电池自动灭火装置，将电池箱内的电池组置于用高温陶瓷板隔离的分离框内，框外有灭火盖板和PC胶管，胶管连接灭火器管道，当火灾发生时胶管破裂就会喷出灭火粉末灭火。类似这种阻燃防爆的装置还有很多，大部分采用了一个防火耐热的电池组外壳，和内置一个自动灭火器。

杜炜凝等人[8]在研究中明确的提出，现目前在锂离子电池的消防安全技术中，虽然有诸多的技术方法可以用于灭火，但是其效果差异较大，而且在具体的技术方式上，缺少统一的标准，这是需要重点解决的问题。不过已有不少的安全设计，旨在进一步增强系统的安全保护功能。其基本思想主要基于处理热失控时释放能量的方法，能量释放的主要途径是通过其他途径释放电化学能量。如何将实用的硬件/软件与电池系统设计相结合，提高电池系统的整体安全性，是未来的一个重点研究方向，这样这样的技术能够成熟，并得到广泛的推广、应用，则可以大大提高锂离子电池的安全性。

在锂离子电池储能技术的研究与发展过程当中，对于其热安全防控技术的研究，我们同样应当加强重视力度，因为只有不断提高锂离子电池的安全性，才能使其得到更大范围的推广、应用，发挥出更大的作用价值。