阻燃隔热涂层在锂离子动力电池PACK中的应用研究

张庆波

摘 要：电动汽车所使用的电池以锂电池为主，一般由多个单体电池以串联或者并联的方式组成一个电池组，满足电动汽车的需求。受锂电池特性的影响，其在放电的过程中，会产生较大的热量，如果不能及时进行散热操作，电池的温度就会迅速升高，影响电池的适应年限，甚至发生燃烧、爆炸等危险。本文对锂离子动力电池PACK进行阐述，分析锂离子电池燃烧机理，并且探究了阻燃隔热涂层在锂离子动力电池PACK中应用。

关键词：阻燃隔热涂层;锂离子动力电池;电池PACK

近几年，电动汽车在我国市场中得到了迅猛的发展，由于锂电池的性价比加高，相关技术比较成熟，因此电动汽车的蓄电池以锂电池为主，路面上，电动汽车的数量逐渐增多，随着锂电池使用的增加，部分问题也逐渐突显出来。部分电动汽车出现锂电池燃烧的问题，危险性较高，这主要是由于锂电池过热而导致的问题，为了提高电动汽车的安全性，在锂离子动力电池PACK中就需要添加阻燃隔热涂层，以此实现对电池使用风险的控制。

1 锂离子动力电池PACK概述

锂离子电池是基于先进技术生产的电池，电池中，锂离子是主要的成分。锂离子电池由电池正极、电池负极、电解质以及隔膜共同组成，其中，电池的正极与负极能够对电池的性能产生影响，而电解质与电池隔膜能够对电池的安全性产生影响。要想使锂电池正常运行，那么电池的每个组件缺一不可。锂电池的结构如下图1所示。

锂电池的工作原理比较简单，主要是通过锂离子在正极与负极之间不断嵌入与嵌出，实现充电与放电，使电能与化学能之间相互转换。在市面中，常见的锂电池有两种，分别是液态锂离子电池与聚合物锂离子电池，两种锂电池的结构对比，如下表1所示。

两者相比较而言，聚合物锂离子电池安全性会更高，其电解质为胶体形态，不容易发生泄漏，在工艺与技术方面，装配也比较容易，燃烧、爆炸等问题发生的概率也比较低。本文针对电动汽车中的锂电池展开研究，在电动汽车中，常见的锂电池主要有磷酸鐵锂电池、三元锂电池、钴酸锂电池以及锰酸锂电池。国内外多家汽车企业对锂电池进行研究与实验，比如丰田公司实验室研究表明，当前市场中液体锂电池为主流电池，但是受锂电池特性以及性价比等方面的影响，在未来发展的过程中，固态锂电池会逐渐成为电动汽车应用的主流电池。

2 锂离子动力电池燃烧机理

在电动汽车中，锂离子动力电池发展燃烧、爆炸问题主要是由热失控、热扩散以及电解质泄露三个原因导致的，具体燃烧机理如下：

2.1 热失控

热失控是锂电池燃烧比较常见的原因之一，热失控是指电池中液态的锂离子电池其外部温度迅速升高，电池内部发生短路问题，电池组进水或者正负极发热等等，在诸多原因作用下导致电池组的温度升高，并且无法将热量散发出去，电池温度越来越高，在高温的作用下，电池组就会出现热失控现象。电池组是由多个单体电池组成，引发单个电池出现热失控的因素比较复杂，一般以电流过大或者温度过高的诱因为主[1]。在锂电池发生热失控问题时，当温度达到90℃，处于负极的膜就会开始溶解，温度就会持续升高，当温度达到230℃时，锂电池中的电解质就会被蒸发，从而出现燃烧等安全事故。

2.2 热扩散

热失控一般是指电池组中单体电池发生的问题，而热扩散是指，单体电池出现热失控之后，其向其他电池进行扩散，电池组以及周围区域出现热量增加、温度上升的问题，热扩散会引发诸多连锁反应，当发生热扩散现象时，电池的表面温度能够达到将近1 000℃。这样的高温就会引发燃烧，甚至会燃烧到汽车周围的物体，危险性较高。电池内部发生燃

烧需要具备三个条件，即燃烧物、火源以及氧气[2]。为了对这类事故进行控制，为车内人员提供逃生的时间，汽车厂商在汽车生产的时，需要使用具有阻燃特性的汽车材料。

2.3 电解液泄露

电动汽车在使用的过程中，可能会出现电解质泄露的问题，电解质出现泄露，在早期发热现象并不明显，因此不易被察觉。电解质属于腐蚀性液体，具有易挥发、有毒等特性，当其出现泄露之后，对空气等会造成严重的污染，与其解除的人也会出现头痛、恶心等中毒现象。

3 阻燃隔热涂层在锂离子动力电池PACK中应用

3.1 电池包设计

为了提高锂电池的安全性，还需要从电池生产商角度出发，从根本提高电池的安全性。在对电池包进行设计的过程中，应该充分考虑电池包的安全性。电池包安全技术，能够在电池发生热失控、热扩散以及电解质泄露时最大程度保障安全性。电池包结构设计包含电池内部结构、阻燃隔热涂层等设计。

首先，在电池包内部设计方面，应该对电气的布局进行设计，避免插件过多或者走线不合理等问题，使电池内部结构能够更加合理。还需要对电池中电气间隙进行优化处理，保障当汽车发生碰撞时，电池由足够的安全空间。为了降低电池短路的风险，应该采取分布式电源装置方式[3]。

其次，使用阻燃隔热涂层，当前市面中比较常见的阻燃隔热涂层为模间隔热设计技术，该技术主要是指在模组之间增加阻燃隔热涂层或者零件等，特斯拉电动汽车的电池组就添加了云母片，以此达到阻燃隔热的要求。

第三，安全防爆炸设计，为了避免由于碰撞或者过度充电等造成的热失控现象，在电池布局方面，设计指定的气体排放空间，使电池内的高压气体能够得到释放，有效提高电池安全性[4]。

3.2 阻燃隔热涂层实验

为了了解阻燃隔热涂层的有效性，本文对阻燃隔热涂层在锂离子动力电池PACK中应用进行了实验。

实验材料：锂电池PACK壳体、阻燃隔热涂层、高压无气喷涂机。

实验过程：将阻燃隔热材料喷涂在某品牌电动汽车的电池包表面，使阻燃隔热涂层能够达到200 μm、300 μm、400 μm，然后进行正常的养护，养护结束之后，进行实验。根据国家相关实验规定，对电池包进行燃烧实验，然后记录燃烧之前、燃烧过程中以及燃烧之后的数据，为结果分析提供可靠的依据。

3.3 阻燃隔热涂层实验结果分析

在实验之后，对阻燃隔热涂层实验结果进行分析，合金的着火点为650℃，在实验过程中，燃烧的温度能够到达1 300℃，没有阻燃隔热涂层保护的合金材料发生了剧烈的燃烧。在实验过程中，阻燃隔热涂层主要是水性单组固化涂层。据实验数据表明，当发生燃烧时，喷有阻燃隔热涂层的电池然后了将近2分钟后自动熄灭，电池包处于正常的状态。然后本文继续对喷有300 μm、400 μm涂层的电池进行燃烧实验，结果表明，300 μm的涂层耐燃烧时间能达到15分钟，400 μm涂层的耐燃烧时间能够达到25分钟。由此可见，在电动汽车电池组中，增加阻燃隔热涂层的设计，能够有效控制电池燃烧、爆炸等事故，为车内人员提供充足的逃生时间。

4 总结

总而言之，电动汽车是近些年新兴起的产业，其符合产业的发展的一般规律，即在发展初期会存在一些问题，在发展的过程中，不断解决问题，使产业安全性等被完善。安全是电动汽车发展的根本，锂离子动力电池燃烧问题的产生因素比较多，除技术问题之外，还会受到其他因素的影响。为了提高锂离子动力电池使用的安全性，应该从电池生产厂家、整车厂家、消防部门以及充电领域等等均采取相关的安全措施，才能够使电动汽车的使用安全得到保障。

参考文献：

[1]李祥瑞.锂离子动力电池PACK结构设计与散热优化[D].山东大学，2020.

[2]盘朝奉，李桂权，陈龙，等.锂离子动力电池组相变材料散热结构优化简[J].机械设计与制造，2017（9）：16-19.

[3]于成龙，刘莹，乔鑫.基于多学科优化的锂离子动力电池包轻量化设计[J].汽车安全与节能学报，2019，10（2）：233-240.

[4]徐保峰，陈钢华，黄林德.阻燃隔热涂层在锂离子动力电池PACK中的应用[J].电池工业，2018（2）：15-16.