錢宇清，左付山，葉 健，王海龍

(南京林業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇南京 210037)

隨著碳達(dá)峰碳中和概念目標(biāo)的提出和深入實(shí)踐，清潔能源行業(yè)如潮汐能、太陽能、風(fēng)能等被廣泛開發(fā)以替代化石能源。作為“中國制造2025”目標(biāo)的核心推進(jìn)領(lǐng)域，以純電能源為首的新能源汽車行業(yè)成為我國新興的重點(diǎn)戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，其整車制造、核心部件國產(chǎn)化等方面都實(shí)現(xiàn)了大幅跨越，但動力電池工作環(huán)境復(fù)雜、結(jié)構(gòu)多變，遇事故極易自燃導(dǎo)致著火及爆炸等安全事故，威脅駕乘人員生命安全。因此，提高動力電池安全性成為電動汽車普及過程最重要的研究方向。

鋰離子電池由于其能量密度大、充放電循環(huán)壽命長、工作溫度范圍大、無記憶效應(yīng)[1]等優(yōu)點(diǎn)，是電動車輛動力電池的主流應(yīng)用方向。電池?zé)崾Э豙2]指的是蓄電池電流和電池溫度發(fā)生一種積累性增強(qiáng)作用并逐步損壞現(xiàn)象。熱失控導(dǎo)致因素常為機(jī)械損壞、電濫用、熱濫用等[3-4]。

當(dāng)今以汽車動力電池?zé)峁芾頇C(jī)制、熱失控機(jī)理、熱失控監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)[5]為重點(diǎn)的研究已成為新能源汽車發(fā)展的熱點(diǎn)問題。國內(nèi)外研究從裝機(jī)實(shí)驗(yàn)、熱失控機(jī)理分析及預(yù)警監(jiān)測等方向?qū)恿﹄姵責(zé)崾Э厣钊胩剿?，形成了電池?zé)崾Э匾蛩毓芾怼U(kuò)展機(jī)理、安全特性監(jiān)測的體系化研究[6-7]。清華大學(xué)馮旭寧等[8-9]基于新能源汽車行業(yè)及政府政策的標(biāo)準(zhǔn)，針對動力電池?zé)崾Э卣T發(fā)因素、蔓延機(jī)理、安全防護(hù)三方面進(jìn)行建模和實(shí)驗(yàn)研究。基于熱失控事故調(diào)查將事故過程分為誘因、發(fā)生、擴(kuò)展三個階段，并基于熱失控安全等級模型對其進(jìn)行分級防控。佐治亞理工學(xué)院的BANDHAUER 等[10]對鋰離子電池?zé)崾Э匾蛩丶半姵匕鼉?yōu)化設(shè)計(jì)層面進(jìn)行了綜述。Zhang等[11]針對動力電池?zé)崾Э乜偸菑木植奎c(diǎn)開始并擴(kuò)散傳播的特征采取對策來遏制熱失控蔓延。通過考察電池?zé)崾Э匦袨閷崾Э貭顟B(tài)下的電池分為失效區(qū)域及正常工作區(qū)域，對失效邊界前沿特性進(jìn)行研究，并基于實(shí)驗(yàn)仿真對熱失控?cái)U(kuò)散范圍下動力電池工作區(qū)域分級管理，有效阻斷熱失控蔓延。

1 鋰離子電池?zé)崾Э剡^程機(jī)理

鋰電池是把鋰離子嵌入碳(石油焦炭和石墨)中形成負(fù)極(傳統(tǒng)鋰電池用鋰或鋰合金作負(fù)極)。正極材料常用LixCoO2，也用LixNiO2和LixMnO4，電解液用LiPF6+二乙烯碳酸酯(EC)+二甲基碳酸酯(DMC)[12]。熱失控的誘發(fā)因素主要有機(jī)械損傷、過充、內(nèi)短路等。各項(xiàng)因素影響下，鋰離子電池內(nèi)部活性材料發(fā)生劇烈放熱反應(yīng)，電池內(nèi)部溫度超出可控范圍后，最終導(dǎo)致熱失控。鋰離子電池內(nèi)部發(fā)生的放熱化學(xué)反應(yīng)包括固體電解質(zhì)界面膜SEI(solid electrolyte interphase)分解、負(fù)極活性材料與電解質(zhì)的反應(yīng)、負(fù)極活性物質(zhì)和粘結(jié)劑的反應(yīng)、電解液的氧化分解反應(yīng)等[13-14]。

鋰離子電池在充放電過程中，電極活性材料固相界面上的碳酸乙烯酯將與負(fù)極鋰發(fā)生反應(yīng)，在石墨附著表面生成一層SEI 膜。該膜可以直接減緩甚至阻止電解液與電極兩側(cè)活性材料的反應(yīng)，大幅降低其反應(yīng)放熱速率，提高正負(fù)極材料的穩(wěn)定性。

隨著溫度升高到90～120 ℃時，SEI 膜開始分解，隨后電解液與負(fù)極活性材料發(fā)生放熱反應(yīng)，以碳酸乙烯酯為例，反應(yīng)過程如式(1)和(2)：

放熱反應(yīng)過程中，電池內(nèi)部溫度逐步升高?；诓煌裟げ牧系牟捎?，其熔點(diǎn)也有差別，常見的聚丙烯隔膜熔點(diǎn)在165 ℃、聚乙烯材料熔點(diǎn)在135 ℃[15]。在達(dá)到隔膜材料的熔點(diǎn)溫度后，內(nèi)部隔膜發(fā)生局部收縮，并使電池內(nèi)部正負(fù)極材料直接接觸發(fā)生短路，從而產(chǎn)生大量的熱。短路生成的大量熱又使隔膜迅速收縮，進(jìn)一步加劇了放熱反應(yīng)。

WANG 等[16]在研究鋰電池?zé)崾Э芈訖C(jī)理的同時發(fā)現(xiàn)了SEI 膜在57 ℃就已經(jīng)發(fā)生分解反應(yīng)，但其能被檢測到放熱反應(yīng)的溫度在80 ℃左右。LI 等[17]則基于差示掃描量熱法(differential scanning calorimetry，DSC)[18]實(shí)驗(yàn)測試發(fā)現(xiàn)：SEI膜的放熱速率取決于負(fù)極的比表面積，SEI 膜分解的放熱數(shù)值巔峰存在于100 ℃左右。

同時，在SEI膜發(fā)生分解、放熱反應(yīng)的溫度區(qū)間，鋰鹽也會與電解液發(fā)生劇烈的放熱反應(yīng)[19]。鋰離子電池活性材料常見種類有六氟磷酸鋰(LiPF6)、四氟硼酸鋰(LiBF4)等。而六氟磷酸鋰在高溫下分解生成PF5，分解產(chǎn)生的PF5與溶劑進(jìn)一步反應(yīng)，攝取C-O 鍵的氧原子[20]，發(fā)生劇烈的放熱反應(yīng)，進(jìn)一步加速電解液分解。同時，六氟磷酸鋰與溶劑的氧化還原反應(yīng)還會釋放出劇毒氣體氫氟酸(HF)，其具體反應(yīng)過程如式(3)～(5)：

同樣的溫度范圍內(nèi)，電解液本身會發(fā)生分解反應(yīng)，并釋放出少量可燃?xì)怏w。AbdElLatif 等[21]在利用速率量熱法分析熱失控過程時發(fā)現(xiàn)電解液分解產(chǎn)生的氣體主要由C2H4、CO、H2組成。電解液被迅速汽化，并提高電池內(nèi)部的壓力，當(dāng)內(nèi)部壓力達(dá)到泄壓閥極限時會噴出大量可燃?xì)怏w，進(jìn)一步加劇熱失控的蔓延。電解液完全燃燒產(chǎn)生的熱量值比分解反應(yīng)的放熱量大得多，以碳酸乙烯酯(EC)及碳酸丙烯酯(PC)為例，電解液的氧化(6)～(7)及不完全氧化(8)～(9)的反應(yīng)過程如下[14]：

電池內(nèi)部溫度逐步升高的同時，電池正極的活性材料開始分解，基于采用不同的活性材料，其發(fā)生放熱反應(yīng)的溫度亦有區(qū)別。正極活性材料分解產(chǎn)生氧氣，然后氧氣參與和內(nèi)部活性材料的反應(yīng)，于電池內(nèi)部反應(yīng)生成大量氣體，反應(yīng)過程如下[22]：

在溫度超過136 ℃時，粘結(jié)劑聚偏氟乙烯(PVDF)會與鋰發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣反應(yīng)過程如下[23]：

除了SEI 膜融化吸收熱量，上述的化學(xué)反應(yīng)均為放熱反應(yīng)。電解液分解、隔膜、電池活性材料、黏合劑的放熱量分別占總放熱量的43.5%、30.3%、20.1%、6.2%[24]。電池正負(fù)極活性材料與電解液的反應(yīng)是最大的放熱源。

2 鋰離子電池?zé)崾Э卣T發(fā)因素

鋰離子電池?zé)崾Э卣T發(fā)因素可歸為三類：機(jī)械濫用[25](針刺、擠壓變形、外部碰撞)、電濫用[26](過充過放電、短路)、熱濫用[27](熱管理系統(tǒng)失效)等。其中機(jī)械濫用容易誘發(fā)鋰電池內(nèi)部短路，從而形成熱失控；電濫用中，電池過充過放會引發(fā)內(nèi)部的副反應(yīng)，導(dǎo)致電池內(nèi)部局部電芯過熱，造成熱失控；外短路則是一種電池極速放電的危險(xiǎn)狀態(tài)，極高的電流導(dǎo)致迅速升溫，甚至熔斷電池極耳；熱濫用的狀態(tài)下，常因熱管理系統(tǒng)失效，誘發(fā)內(nèi)部隔膜收縮分解，最終導(dǎo)致內(nèi)短路和熱失控[28]。此外，電池自身狀態(tài)也是引發(fā)熱失控重要因素之一，隨著電池充放電循環(huán)次數(shù)的增加及枝晶生產(chǎn)過程中混入的雜質(zhì)誘導(dǎo)，因此導(dǎo)致不良副反應(yīng)生成了金屬枝晶等易刺穿隔膜，并引發(fā)電池局部內(nèi)短路[29]。

2.1 熱濫用導(dǎo)致的電池?zé)崾Э匮芯?/h3>

根據(jù)文獻(xiàn)[30]建立的鋰離子電池的電化學(xué)-熱耦合過充-熱逸出模型，鋰離子電池通常在溫度達(dá)到80 ℃時才會開始自發(fā)熱，而電池?zé)峁芾碓陔姵責(zé)崃恳绯銮覠o法有效釋放時，將導(dǎo)致電池溫度不可控升高，由局部單體電池?cái)U(kuò)散到動力電池組，引發(fā)系列副反應(yīng)發(fā)生熱失控。圖1 為熱失控?cái)U(kuò)散及溫度變化示意圖。

圖1 鋰離子電池?zé)崾Э財(cái)U(kuò)散過程[30]

熱濫用并不會自發(fā)地發(fā)生在電池內(nèi)部，常由于機(jī)械濫用等其他原因?qū)е码姵貎?nèi)部溫度升高到閾值，電池局部便會被加熱導(dǎo)致熱濫用，進(jìn)一步誘發(fā)溫度失控導(dǎo)致電池自燃。

與此同時，熱失控也被作為研究電池?zé)崾Э剡^程中測試實(shí)驗(yàn)電池失控過程及檢測安全特性的研究方式[20]。1999 年，KITOH 等[31]就開展了基于外部加熱方法的高比能量動力電池?zé)崾Э匕踩卣鞅O(jiān)測研究。此后，絕熱能量法就被廣泛應(yīng)用在測試鋰離子電池的熱失控溫度閾值上。當(dāng)下熱濫用研究主要基于外部輻射引燃電池，劉蒙蒙[32]建立了多內(nèi)源瞬態(tài)生熱模型和電化學(xué)-熱耦合模型，基于輻射加熱法研究了電池?zé)釣E用導(dǎo)致自燃后的安全特性，發(fā)現(xiàn)電池燃燒可分為三個階段，即噴射燃燒、穩(wěn)定燃燒及二次噴射燃燒。盧立麗等[33]基于動力電池包中鋰離子電池的卷繞模型建立了二維熱失控模型，分類研究了不同環(huán)境下加熱電池導(dǎo)致的內(nèi)部熱蔓延特性、活性材料狀態(tài)及熱量在動力電池組之間的傳遞路徑。Vyroubal 等[34]基于均勻混合物理論建立了優(yōu)化的鋰離子電池?zé)崾Э厝S模型，相較于二維模型對熱蔓延傳播路徑監(jiān)測更加準(zhǔn)確。LI 等[35]則基于熱濫用導(dǎo)致的熱失控背景下放電電流對于溫度的影響進(jìn)行研究。其發(fā)現(xiàn)放電電流恒定時，熱失控過程中的質(zhì)量損失、安全特性參數(shù)、熱失控起始溫度及峰值溫度都取決于電池容量。

2.2 電濫用導(dǎo)致的電池?zé)崾Э匮芯?/h3>

常見的電池?zé)崾Э卣T因有電池過充過放、內(nèi)部短路、外部短路等。

(1)過充、過放電

在鋰離子電池完成一次充放電循環(huán)過程中，正常情況下BMS 電池管理系統(tǒng)會根據(jù)荷電狀態(tài)阻斷充電電流[36]。當(dāng)BMS 系統(tǒng)失效時，電池過充，易造成嚴(yán)重的自燃事故。在充電達(dá)到SOC閾值之后繼續(xù)充電，鋰金屬會附著在負(fù)極活性材料的表面上，附著的鋰在一定溫度下與電解液反應(yīng)，釋放出大量高溫氣體。同時，正極活性材料因過度脫鋰和與負(fù)極過大的電勢差開始熔化，一旦正極電勢高于電解液的安全電壓，電解液也會與正極活性材料發(fā)生氧化反應(yīng)[37]。過充過程中也會發(fā)生歐姆生熱、氣體溢出等一系列副反應(yīng)，加劇熱失控的發(fā)生。

葉佳娜博士發(fā)現(xiàn)[38]鋰離子電池在過充電過程中溢出氣體主要由CO2、CO、H2、CH4、C2H6和C2H4組成，且氣體體量及熱量都隨著充電電流增大而增大。利用加速量熱儀和電池循環(huán)儀聯(lián)合分析，實(shí)驗(yàn)表明：基于恒流-恒壓的過充電危險(xiǎn)性遠(yuǎn)大于直接恒流的過充電狀態(tài)。Ren 等[39]基于復(fù)合材料正極與石墨負(fù)極在不同實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的過充電性能，綜合考量了充電電流、隔膜材料、散熱系統(tǒng)的影響，研究發(fā)現(xiàn)NCM 電池在過充電期間的放熱量與充電電流大小關(guān)系不大，不同隔膜材料的熔點(diǎn)、電池形變臌脹才是鋰離子電池?zé)崾Э氐闹饕蛩?。Wang 等[40]對過充狀態(tài)鋰電池的熱蔓延路徑和高溫氣體溢出路徑進(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)電池過充期間沉積鋰與電解液反應(yīng)產(chǎn)生的熱量占43%以上。Zhang 等[41]基于增量電容-微分電壓研究了電池包容量的退化機(jī)理，發(fā)現(xiàn)單次過充對電池容量影響甚微，但在過充電至正極活性材料脫鋰后，會嚴(yán)重影響電池組熱穩(wěn)定性。

過放電造成的危害小得多，早期的過放電很難引發(fā)電池?zé)崾Э兀珪绊戨姵厝萘?。周萍等[42]基于鎳鈷錳NCM 三元鋰電池研究了其過放電狀態(tài)后的放電特性。靜置放電過程中，NCM 鋰電池內(nèi)短路程度降低，阻值變大，放電電流降低。實(shí)驗(yàn)表明：放電深度越大，電池包內(nèi)單體電池的衰減程度越大。Ma 等[43]在鋰電池過放電實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，過放電不會改變電池活性材料結(jié)構(gòu)，但會造成負(fù)極集流體溶解，增加SEI 膜厚度，加速電池的老化。鋰離子電池過放電過程行為特性如圖2 所示。

圖2 過放電過程的電壓變化曲線

不同鋰離子電池在高低溫環(huán)境、過充放電工況時的電池?zé)崾Э貭顩r如圖3 所示。

圖3 不同工況的電池?zé)崾Э豙43]

(2)外部短路

外部短路同樣是造成動力電池?zé)崾Э刂匾颉hen等[44]基于熱量產(chǎn)生、分布、蔓延模型結(jié)合建立一種新的電熱耦合模型。研究表明：鋰離子電池外短路狀態(tài)下峰值溫度存在于極耳邊緣。馬骕驍?shù)萚45]發(fā)現(xiàn)動力電池外短路狀態(tài)下由于副反應(yīng)產(chǎn)生熱量遠(yuǎn)小于電化學(xué)產(chǎn)熱量，且電化學(xué)產(chǎn)熱量與初始SOC成正相關(guān)，但與溫度峰值熱應(yīng)力成負(fù)相關(guān)。

(3)內(nèi)部短路

內(nèi)短路由于發(fā)生在電池內(nèi)部，BMS 系統(tǒng)也很難監(jiān)測到，是鋰離子電池?zé)崾Э氐闹饕?。?dāng)電池過充、過放電時，鋰枝晶逐漸生長至穿透SEI 膜，從而引發(fā)內(nèi)短路并迅速導(dǎo)致不可控升溫和熱失控[46]。此外，電池的制造工藝粗糙造成的晶格損壞或集電器毛刺也可能造成內(nèi)短路。

Huang 等[47]在隔膜中嵌入低熔點(diǎn)合金和穿刺造成內(nèi)短路，利用K 型微熱電偶測量局部溫度，采集得出內(nèi)短路造成的熱量蔓延分布。Zhang 等[48]將一種低形變溫度閾值鎳鈦合金嵌入隔膜或集流體，加熱至發(fā)生形變刺穿隔膜，實(shí)現(xiàn)內(nèi)短路。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：熱失控主要熱量來源在正極集流體與負(fù)極反應(yīng)發(fā)生，短路隨即造成了劇烈升溫；而正極與負(fù)極的內(nèi)短路除了部分燒焦之外，并未造成嚴(yán)重的熱失控。

2.3 機(jī)械濫用導(dǎo)致的電池?zé)崾Э匮芯?/h3>

汽車動力電池在應(yīng)用中不可避免地由于事故造成機(jī)械故障，電池組若由穿刺、擠壓等外力形變，引發(fā)內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化甚至在受力極限狀態(tài)下正負(fù)極直接接觸造成內(nèi)短路形成熱失控[32]。因此，針對機(jī)械濫用的電池?zé)崾Э匮芯亢苡斜匾?，其中范文杰[49]以及許輝勇等[50]都基于有限元建模和數(shù)值監(jiān)測分析展開機(jī)械濫用導(dǎo)致的熱失控研究。

WANG 等[51]基于軟包鋰離子電池在碰撞后電池包橫截面變化狀態(tài)進(jìn)行研究。穿刺實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：穿刺過程中電池包內(nèi)出現(xiàn)大量局部形變和剪切斷裂層，而集流體和正極活性材料撕裂、電池組內(nèi)部結(jié)構(gòu)重排導(dǎo)致的隔膜穿刺是導(dǎo)致電池內(nèi)短路熱失控的根本原因。Lamb 等[52]基于計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)對18650 圓柱鋰離子電池在穿刺條件下形變狀態(tài)進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：正負(fù)極之間的滲透現(xiàn)象加劇內(nèi)短路的發(fā)生，短路期間附著的鋁箔熔化，在穿刺裂縫處形成大量的金屬珠。Li等[53]基于穿刺、擠壓等建立了多種狀態(tài)機(jī)械濫用的有限元分析模型，并利用廢舊電池參數(shù)建立了一種預(yù)測電池?zé)崾Э剡M(jìn)程的學(xué)習(xí)算法。從沖擊力量、碰撞角度、變形范圍等8 類參數(shù)分析了機(jī)械濫用對鋰離子電池安全的影響，大幅減少計(jì)算量。

實(shí)際應(yīng)用下發(fā)生的機(jī)械濫用比單一的穿刺、擠壓等實(shí)驗(yàn)更加復(fù)雜，僅依賴實(shí)驗(yàn)?zāi)M無法深入研究電池機(jī)械濫用的安全特性，根本的解決措施則是在設(shè)計(jì)動力電池組的同時優(yōu)化電池安裝位置、設(shè)定可靠的BMS 系統(tǒng)以及整車框架的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在發(fā)生碰撞時最大程度避免動力電池組發(fā)生形變及擠壓。

3 鋰離子電池?zé)崾Э仡A(yù)防措施和方法

以阻斷、延緩、預(yù)防動力電池?zé)崾Э貫槟繕?biāo)，眾多學(xué)者基于電池組熱管理、高強(qiáng)度電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面展開研究。

3.1 單體電池安全性設(shè)計(jì)

(1)隔膜設(shè)計(jì)安全性研究

提高隔膜安全性核心在于提升隔膜收縮、熔化分解的溫度，增強(qiáng)高溫條件隔絕能力，隔膜的高溫隔絕能力保證隔膜微孔在高溫環(huán)境封閉，阻斷鋰離子的流出[54]。廣泛應(yīng)用的隔膜材料一般采用陶瓷涂層覆蓋或其他有閉孔效應(yīng)的材料[55]。

(2)正極材料安全性研究

動力電池市場應(yīng)用中最常見的鋰離子正極活性材料一般為LiCoO2、LiFePO4、LiMn2O4、LiNixCoyMnzO2(NCM)等。采用材料覆蓋正極的方式來阻斷和緩解熱失控副反應(yīng)，提高電池循環(huán)性及熱穩(wěn)定性[56]，如ZrO2和AlF3。Zhang 等[57]開發(fā)了一種原子濃度基于梯度分布的層狀三元NCM 材料，其附著粒子由Ni 為核心及Mn 覆蓋外層。測試表明：在多次高溫和過充的條件下其仍能維持良好的循環(huán)性和熱穩(wěn)定性。

(3)負(fù)極材料安全性研究

負(fù)極安全性提升主要通過材料涂覆或在電解液中添加添加劑提高SEI 膜熱穩(wěn)定性。Xu 等[58]在電解液中添加液態(tài)合金GaSnIn 來提高電池?zé)岱€(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)表明：制備的梯度SEI 層，大大降低了電壓極化，提高庫侖效率至99.06%。Zheng 等[59]制備了一種超薄芳綸納米纖維(ANF)膜來抑制鋰枝晶生長。實(shí)驗(yàn)測試中，在50 mA/cm2高電流密度環(huán)境下，ANF-Li |LiFePO4全電池在循環(huán)1 200 次之后容量衰減至80.2%。且其研究首次發(fā)現(xiàn)了纖維狀的鋰沉積，制備的ANF 膜納米級空隙促進(jìn)了電解液擴(kuò)散，加速了鋰轉(zhuǎn)運(yùn)的效率，并消除了微米級鋰枝晶穿透隔膜的弊端。

(4)電解液安全性研究

多數(shù)熱失控事故都有電解液的參與，提高電解液安全性預(yù)防熱失控非常關(guān)鍵。常在電解液中添加阻燃劑[60]、固態(tài)聚合類物質(zhì)或離子液體等防過充添加劑。氟化碳酸乙烯(FEC)是最常見的電解液添加劑[61]，其優(yōu)勢在于通過改變SEI 膜成分來提高負(fù)極可逆脫鋰的庫侖效率。Li 等[62]以二氟硼酸鋰(LiDFOB)為主鹽，在磷酸酯混合電解液中設(shè)計(jì)了雙層結(jié)晶及聚合物固體電解質(zhì)相間的SEI 膜。阻燃實(shí)驗(yàn)表明：阻燃電解液的自熄時間為6.1 s，Li 的可逆效率為98.2%，在充放電循環(huán)150 次之后，仍保持89.7%電池容量。

3.2 動力電池系統(tǒng)安全防護(hù)和優(yōu)化設(shè)計(jì)

(1)電池包結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及整車安裝位置優(yōu)化對于提升安全性至關(guān)重要。Chen 等[63]基于18650 型號電池排布方式對熱失控范圍影響進(jìn)行分類實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明：排布加熱面積更大的區(qū)域點(diǎn)燃的時間更短，蔓延速度和范圍更大。但其實(shí)驗(yàn)僅考慮動力電池模組整體加熱而未考慮內(nèi)短路導(dǎo)致的局部過熱。劉振軍等[64]基于動力電池包的三維散熱模型優(yōu)化電池組設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了散熱量仿真。實(shí)驗(yàn)表明：優(yōu)化后的鋰離子電池峰值溫度由46 ℃降至34 ℃，單體電池之間溫差被控制在了5 ℃以內(nèi)。

(2)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)

鋰離子電池?zé)崦舾行詮?qiáng)，提高低溫放電效率和高溫安全性是電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)工作的核心。電池組冷卻方式有液冷和風(fēng)冷[65]，特斯拉生產(chǎn)的電動汽車均采用液冷技術(shù)，電動公交一般采用風(fēng)冷。近年研究中，如氣凝膠、相變材料及混合材料[66]由于其優(yōu)秀的吸熱效能，被應(yīng)用于電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。Wu 等[67]基于水凝膠研發(fā)了一種柔性材料用于電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，采用低成本的聚丙烯酸鈉材料，其極強(qiáng)的可塑性可制成多種形狀堆疊在電池包中，很經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)風(fēng)冷及液冷的散熱效果。

(3)電池?zé)崾Э氐慕禍?、滅火、阻斷及氣體引導(dǎo)設(shè)計(jì)

電池?zé)崾Э匾呀?jīng)無法避免時，為不波及安裝位置相近的電池，及時對熱蔓延阻斷降溫及引導(dǎo)高溫氣體尤為重要。圖4 為熱失控?cái)U(kuò)散的三維模型。

圖4 熱失控?cái)U(kuò)散三維模型[66]

阻斷熱失控?cái)U(kuò)散的途徑主要包括：阻燃介質(zhì)填充、采用絕熱材料對熱失控電池隔離或?qū)⒒鹧婕案邷貧怏w通過路徑引導(dǎo)排出電池組。Xu 等[68]開發(fā)了一種如圖5 所示的沿電池排列、截面形狀為矩形的高溫氣體散熱管。雖然無法阻止單體電池?zé)崾Э氐陌l(fā)生，但可以有效阻止電池組局部熱失控的蔓延。李浩亮等[69]設(shè)計(jì)了一種基于惰性氣體及混合制冷劑開發(fā)的熱蔓延阻斷系統(tǒng)和集成控制系統(tǒng)?；跓崃糠稚D及升溫加速度對阻斷系統(tǒng)設(shè)定閾值，實(shí)驗(yàn)表明：在電池組局部過熱時可以有效阻斷熱蔓延。

圖5 阻斷熱失控?cái)U(kuò)散散熱管[68]

4 結(jié)論

文章綜述了鋰離子動力電池?zé)崾Э赜|發(fā)機(jī)理、誘因及安全監(jiān)測管理相關(guān)的文獻(xiàn)。

(1)在熱失控機(jī)理研究方面，分析了鋰離子電池主要組成成分的熱穩(wěn)定性和放熱規(guī)律，主要闡述了電解液分解、隔膜、電池活性材料、黏合劑等反應(yīng)放熱過程原理。

(2)在熱失控觸發(fā)誘因研究方面，分類總結(jié)了不同觸發(fā)條件的特點(diǎn)及原因，分別為機(jī)械濫用、電濫用及熱濫用造成的電池?zé)崾Э亍?/p>

(3)在熱失控預(yù)防和監(jiān)測方面，從鋰離子電池單體優(yōu)化設(shè)計(jì)、動力電池系統(tǒng)優(yōu)化及電池?zé)峁芾砗捅O(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)三方面闡述提高鋰離子動力電池?zé)崾Э匕踩缘难芯俊?/p>

雖然鋰離子電池?zé)崾Э氐难芯恳讶〉么罅砍晒糠诸I(lǐng)域研究仍存在空白。鋰離子電池隨循環(huán)次數(shù)疊加造成老化對安全性影響相關(guān)研究近幾年才開始，尤其是老化路徑及機(jī)理對熱穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)仍然較少。同時對熱失控發(fā)生后的火焰蔓延傳播的預(yù)測及建模研究只有少量的實(shí)驗(yàn)，且仍缺乏對火焰?zhèn)鞑サ臄?shù)值模擬分析?？梢钥闯鲣囯x子動力電池?zé)崾Э匕踩芾砣蕴幱诎l(fā)展階段，尤其在預(yù)警及阻斷方向還需要更深入的研究。