當(dāng)今，各個(gè)車企都在動(dòng)力電池上大規(guī)模使用鋰電池，且能量密度越來(lái)越高，但是人們對(duì)動(dòng)力電池的安全還是隨之色變，并不能很好的解決電池的安全問(wèn)題。熱失控是動(dòng)力電池安全性的主要研究對(duì)象，值得大家重點(diǎn)關(guān)注。

首先，讓我們了解什么是熱失控，熱失控指的由各種誘因引發(fā)的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)現(xiàn)象，導(dǎo)致電池在短時(shí)間內(nèi)散發(fā)出的大量熱量和有害氣體，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)痣姵刂鸷捅ā?dǎo)致熱失控發(fā)生的原因有很多，比如過(guò)熱、過(guò)充、內(nèi)短路、碰撞等。電池?zé)崾Э赝鶑碾姵仉娦緝?nèi)的負(fù)極SEI膜分解開(kāi)始，繼而隔膜分解熔化，導(dǎo)致負(fù)極與電解液發(fā)生發(fā)應(yīng)，隨之正極和電解質(zhì)都會(huì)發(fā)生分解，從而引發(fā)大規(guī)模的內(nèi)短路，造成了電解液燃燒，進(jìn)而蔓延到其他電芯，造成了嚴(yán)重的熱失控，讓整個(gè)電池組產(chǎn)生自燃。

一、熱失控階段的劃分

熱失控的階段的劃分方法存在著不同的說(shuō)法，核心應(yīng)該是，跨越了哪個(gè)點(diǎn)，熱趨勢(shì)將無(wú)法逆轉(zhuǎn)。有理論認(rèn)為這個(gè)點(diǎn)是隔膜的大規(guī)模溶解。在此之前，溫度降下來(lái)，物質(zhì)活性下降，反應(yīng)會(huì)減緩。一旦突破這個(gè)點(diǎn)，正負(fù)極已經(jīng)直接相對(duì)，電芯內(nèi)部溫度不可能被降低，無(wú)法終止反應(yīng)的繼續(xù)了。該理論將熱失控劃分為三個(gè)階段，自生熱階段（50℃-140℃），熱失控階段（140℃-850℃），熱失控終止階段（850℃-常溫），一些文獻(xiàn)提供的隔膜大規(guī)模融化溫度起始于140℃。

自生熱階段，又被叫做熱積累階段，它開(kāi)始于SEI膜的溶解。SEI膜在溫度達(dá)到90℃左右的時(shí)候，其溶解現(xiàn)象就會(huì)被明顯的觀察到SEI膜的溶解，使得負(fù)極以及負(fù)極內(nèi)包含的嵌鋰碳成分直接暴露在電解液里，嵌鋰碳與電解液發(fā)生放熱反應(yīng)，造成溫度升高。溫度的上升反過(guò)來(lái)促進(jìn)了SEI膜的進(jìn)一步分解。如果沒(méi)有外部降溫手段的作用，這個(gè)過(guò)程會(huì)滾動(dòng)向前，直至SEI膜全部分解。

熱失控階段是指溫度超過(guò)140℃以后，正負(fù)極材料都加入了電化學(xué)反應(yīng)的行列，反應(yīng)物質(zhì)量的增加，使得溫度的提升速度更快了。外部可以觀測(cè)到的參數(shù)變化，是電壓的急劇下跌，其過(guò)程被描述為：達(dá)到這個(gè)溫度區(qū)間后，隔膜開(kāi)始大量融化，正負(fù)極直接連通，造成大規(guī)模短路的發(fā)生。至此，熱失控已經(jīng)開(kāi)始，不會(huì)再停下來(lái)。短時(shí)間內(nèi)，劇烈的反應(yīng)生成大量氣體的同時(shí)生成大量的熱，熱量又給氣體加熱，膨脹的氣體沖破電芯殼體，發(fā)生物質(zhì)噴射之類的現(xiàn)象，四散的物質(zhì)也帶走了部分熱量。熱失控達(dá)到了最激烈的狀態(tài)。最高溫度也在這個(gè)階段到達(dá)。如果周圍有其他電芯，則在此階段，通過(guò)把熱量向周圍傳播，熱失控可能向其他電芯蔓延。熱量可能通過(guò)連接的導(dǎo)電件傳導(dǎo)，也可能因?yàn)轶w積膨脹，原來(lái)保有間距的電芯，在此時(shí)已經(jīng)彼此貼緊，電芯殼體之間直接傳導(dǎo)熱量。

熱失控終止階段。熱失控一旦發(fā)生，其終止只能是反應(yīng)物全部燃盡。消防部門的一份報(bào)告顯示，對(duì)于鋰電池這種封閉殼體內(nèi)包含高能量的裝置，消防手段暫時(shí)無(wú)法終止正在進(jìn)行的熱失控。滅火劑，無(wú)法真正觸及正在進(jìn)行的反應(yīng)物質(zhì)。消防員在火場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)很高，但能夠采取的措施比較有限，一般就是隔離事故現(xiàn)場(chǎng)。只有待反應(yīng)物耗盡，熱失控過(guò)程才能自然終止。

二、熱失控的原因分析

導(dǎo)致熱失控的原因可分為內(nèi)因和外因。內(nèi)因往往是由于內(nèi)部短路導(dǎo)致的；外因是由于機(jī)械濫用、電濫用、熱濫用等原因?qū)е碌模唧w可參考下圖所示：

內(nèi)部短路，就是電池的正負(fù)極直接接觸，接觸的程度不同，引發(fā)的后續(xù)反應(yīng)也差別很大。通常由機(jī)械和熱量濫用引起的大規(guī)模內(nèi)短路將直接觸發(fā)熱失控。相反，內(nèi)部自行發(fā)展的內(nèi)短路，程度比較輕微，它產(chǎn)生的熱量很少，不會(huì)立即觸發(fā)熱失控。內(nèi)部自行發(fā)展常見(jiàn)的包括制造瑕疵，電池老化造成的各種性能的衰退，如內(nèi)阻增大，長(zhǎng)期輕度不當(dāng)使用造成的鋰金屬沉積等等，隨著時(shí)間的積累，這種內(nèi)因造成內(nèi)短路的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)逐漸增加。

機(jī)械濫用，指的是在外力作用下，鋰電池單體、電池組發(fā)生變形，自身不同部位發(fā)生相對(duì)位移。針對(duì)電芯的主要形式包括碰撞、擠壓和穿刺。比如車輛高速行駛中觸碰的異物，直接導(dǎo)致了電池內(nèi)隔膜崩潰，進(jìn)而造成了電池內(nèi)短路，短時(shí)間內(nèi)引發(fā)了自燃。

鋰電池的電氣濫用，一般包括外短路，過(guò)充，過(guò)放幾種形式，其中最容易發(fā)展成熱失控的要屬過(guò)充電。外短路，當(dāng)存在壓差的兩個(gè)導(dǎo)體在電芯外部接通時(shí)，外部短路就發(fā)生了。電池組的外部短路可能是由于汽車碰撞引起的變形，浸水，導(dǎo)體污染或維護(hù)期間的電擊等。與穿刺相比，通常，外部短路釋放的熱量不會(huì)加熱電池。從外部短路到熱失控，中間的重要環(huán)節(jié)是溫度到達(dá)過(guò)高點(diǎn)。當(dāng)外部短路產(chǎn)生的熱量無(wú)法很好的散去時(shí)，電池溫度才會(huì)上升，高溫觸發(fā)熱失控。因此，切斷短路電流或者散去多余熱量都是抑制外短路產(chǎn)生進(jìn)一步危害的方法。過(guò)充電，由于其飽含能量，是電氣濫用中危害最高的一種。熱量和氣體的產(chǎn)生是過(guò)充電過(guò)程中的兩個(gè)共同特征。發(fā)熱來(lái)自歐姆熱和副反應(yīng)。首先，由于過(guò)量的鋰嵌入，鋰枝晶在陽(yáng)極表面生長(zhǎng)。

鋰枝晶開(kāi)始生長(zhǎng)的時(shí)點(diǎn)，由陰極和陽(yáng)極的化學(xué)計(jì)量比決定。其次，鋰的過(guò)度脫嵌導(dǎo)致陰極結(jié)構(gòu)因發(fā)熱和氧釋放而崩潰。氧氣的釋放加速了電解質(zhì)的分解，產(chǎn)生大量氣體。由于內(nèi)部壓力的增加，排氣閥打開(kāi)，電池開(kāi)始排氣。電芯中的活性物質(zhì)與空氣接觸以后，發(fā)生劇烈反應(yīng)，放出大量的熱。過(guò)放電，電池組內(nèi)電池之間的電壓不一致是不可避免的。因此，一旦BMS未能具體監(jiān)控到任何單個(gè)電池的電壓，具有最低電壓的電芯將被過(guò)度放電。過(guò)放電濫用的機(jī)制與其他濫用形式不同，其潛在的危險(xiǎn)可能被低估。

在過(guò)放電期間，電池組中具有最低電壓的電池可以被串聯(lián)連接的其他電池強(qiáng)制放電。在強(qiáng)制放電期間，極點(diǎn)反轉(zhuǎn)，電池電壓變?yōu)樨?fù)值，導(dǎo)致過(guò)放電電池異常發(fā)熱。過(guò)放電引發(fā)的溶解的銅離子遷移通過(guò)膜并在陰極側(cè)形成具有較低電位的銅枝晶。隨著生長(zhǎng)不斷升高，銅枝晶可能穿透隔膜，導(dǎo)致嚴(yán)重的內(nèi)短路。

局部過(guò)熱可能是發(fā)生在電池組中典型的熱濫用情況。熱濫用很少獨(dú)立存在，往往是從機(jī)械濫用和電氣濫用發(fā)展而來(lái)，并且是最終直接觸發(fā)熱失控的一環(huán)。除了由于機(jī)械/電氣濫用導(dǎo)致的過(guò)熱之外，過(guò)熱可能由連接接觸松動(dòng)導(dǎo)致接觸熱阻增大引起的引起。熱濫用也是當(dāng)前被模擬最多的情形，利用設(shè)備有控制的加熱電池，以觀察其在受熱過(guò)程中的反應(yīng)。

三、熱失控防護(hù)措施

從上述分析可以看出熱失控重在預(yù)防和監(jiān)測(cè)，只要需要在自生熱階段進(jìn)行抑制熱失控的發(fā)生，因?yàn)橐坏┌l(fā)生熱失控就無(wú)法進(jìn)行拯救了，只能進(jìn)行被動(dòng)防護(hù)。

在自生熱階段為抑制電芯發(fā)生熱失控，我們有兩種方案，一是對(duì)電芯的材料進(jìn)行改良升級(jí)，熱失控的本質(zhì)主要在于正負(fù)極材料以及電解質(zhì)的穩(wěn)定性。未來(lái)還需要在正極材料包覆、改性，同體電解質(zhì)與電極的相容性以及提高電芯的導(dǎo)熱方面進(jìn)行更高的突破?；蜻x用安全性高的電解液，起到阻燃的效果。二是需要從外部出發(fā)，采用高效的熱管理方案，抑制鋰電池的溫升，從而保證電芯的SEI膜不會(huì)上升到溶解溫度，自然就不會(huì)發(fā)生熱失控。

但是萬(wàn)一達(dá)到熱失控階段，電池包就會(huì)發(fā)生劇烈的燃燒甚至發(fā)生爆炸，我們需要做的是對(duì)電池包內(nèi)部進(jìn)行防護(hù)，從而進(jìn)一步防止熱蔓延現(xiàn)象的發(fā)生。熱失控防護(hù)可以從模組及電池包兩個(gè)級(jí)別進(jìn)行防護(hù)。在模組上，我們可以通過(guò)在電芯間放置氣凝膠氈、云母阻燃材料、陶瓷隔熱墊等來(lái)減緩失控電芯向周邊電芯熱量的傳遞，也可以在模組內(nèi)部放置相變材料，利用相變材料吸熱氣化的特性從而將失控電芯產(chǎn)生的熱量排出。

在電池包級(jí)別上，可以在模組與模組之間、模組與殼體之間放置云母板等隔熱材料，由于云母板的導(dǎo)熱系數(shù)較低（在0.3w/m*k以下），且耐溫較高，在短時(shí)間內(nèi)可承受1200℃的高溫，絕緣性能優(yōu)異，故可以防止熱量向周邊件的傳遞，也可以防止電芯失控后產(chǎn)生的噴射物語(yǔ)周邊件產(chǎn)生拉弧現(xiàn)象。也可以在電池包內(nèi)部噴涂膨脹涂層（雙組份環(huán)氧樹(shù)脂），利用高溫膨脹為泡沫層后的特性進(jìn)行隔熱。

另外當(dāng)發(fā)生熱失控時(shí)電芯內(nèi)部會(huì)發(fā)生大量的短路現(xiàn)象，導(dǎo)致電壓急劇下降，我們可以通過(guò)電壓采集來(lái)向用戶告知該現(xiàn)象，此外還可以通過(guò)溫度的上升速率、電池包內(nèi)氣壓的急劇變化、煙霧傳感器等來(lái)感知該現(xiàn)象，從而作為乘員逃生的報(bào)警信息。

四、總結(jié)

目前行業(yè)大致已經(jīng)摸清了熱失控的發(fā)生機(jī)制，未來(lái)的研究更多集中在電池本體安全，熱管理，熱失控中早期的預(yù)測(cè)預(yù)警，晚期的通知和傳遞阻礙等方面。相信隨著行業(yè)專家不斷的求索探究，電池的熱失控問(wèn)題會(huì)在不久的將來(lái)得到較為周全的解決方案，屆時(shí)，人們可以更放心無(wú)憂地駕駛電動(dòng)汽車，安心地大規(guī)模使用儲(chǔ)能產(chǎn)品，從而享受清潔能源帶來(lái)的全新生活方式。

審核編輯 ：李倩