欧阳明高：材料、电池、系统多维度解决热失控

  新能源Leader   2020-09-14 次浏览

随着新能源汽车的推广和普及，锂离子动力电池正在越来越多的进入到我们日常生活之中，锂离子电池的高能量密度和长循环寿命赋予了电动汽车更长的续航里程和更长的使用寿命。但是作为直接关系到使用者生命财产安全的产品，动力电池的安全性自然也到了更多的关注。

欧阳明高院士作为动力电池安全研究领域的顶级专家，从事动力锂离子电池安全研究多年，是该领域内最权威的专家。近日，Xuning Feng（第一作者）和欧阳明高院士（通讯作者）等人从材料、电池和系统三个层级上对动力电池的热失控进行了分析，并针对性提出了抑制动力电池热失控的措施。

下图为一个常见的动力电池包热失控过程，首先是电池模组内的单体电池因为机械滥用、电滥用、热滥用，或者电池生产缺陷，导致电池在使用的过程中发生了热失控，热失控电池产生的高温和火焰会引起周围单体电池发生热失控，导致热失控在电池模组和电池包内部蔓延。

加速量热设备（ARC）是研究锂离子电池热失控的有效方法，下图为一个采用ARC设备研究锂离子电池热失控过程的简单示意图。ARC设备研究锂离子电池热失控采用的是标准的“加热-等待-搜寻”过程，整个过程中ARC设备为锂离子电池提供一个绝热环境，测试过程中会对电池进行加热，一般每升高一定温度（通常是0.5℃或1℃）就会停止加热，进入到等待和搜寻的过程，在这一过程中一旦发现电池的温升速度高于某个特定数值就表示电池进入到了自发热或热失控过程。从下图中一个典型的ARC测试曲线，从图中我们可以看到三个特征温度：T1、T2和T3，其中T1为电池开始自发热的温度，通常我们将电池的温升速度大于0.1℃/min对应的温度定义为T1，接下来就是就是热失控起始温度T2，通常我们将电池温升速度大于1℃/min时对应的电池温度定义为T2，这两个温度都是表征电池热稳定性的关键温度，T1和T2温度越高，则电池的热稳定性越好。而T3则为电池热失控过程中的最高温度，表征电池在热失控过程中的放热量。

锂离子电池热失控主要包含内外两个过程，其中内部过程主要包含一些电化学反应，例如正负极各自的分解反应，正负极之间的相互反应，以及内短路，外部反应则包含燃烧、爆炸等现象。

我们在ARC测试中观测的T1、T2和T3温度与锂离子电池内部的电化学反应存在密切的关系，其中T1主要是负极SEI膜的破坏和再生产生的热量引起电池自发热，T2温度则主要取决于正极、负极和隔膜三者中的稳定性最差的部分，T2温度后电池开始发生热失控，正负极之间的氧化还原反应会产生大量的热量，引起电池温度快速升高，电池达到最高温度T3。

引起电池热失控的因素很多，例如高温或其他因素引起的隔膜失效，导致正负极发生短路，三元材料分解产生O₂，不恰当充电引起的负极表面析锂，这些因素都可能会引起电池发生连锁反应，最终引起电池热失控。在热失控过程中会产生大量的气体，研究表明三元材料的锂离子电池每Ah容量会产生1.96L左右的气体，因此一旦热失控电池内会在短时间内产生大量的气体，引起电池内部气压急剧升高，最终引起电池爆炸。

改善锂离子电池的热稳定性可以从多个较多进行着手，通过电解液添加剂的调整，在负极表面形成无机成分更多的SEI膜，能够有效的提升温度T1，为了避免电池发生热失控，可以通过采用陶瓷涂层隔膜，减少隔膜在高温下的收缩，减少内短路的风险，同时也可以从电池设计的角度，通过提升锂离子电池的内阻降低短路电流的方式减少电池热失控的风险。正极材料的表面包覆，减少正极材料在高温下的分解和O₂释放，以及采用单晶材料替代二次颗粒材料都能够有效的改善正极材料在高温下的稳定性。除此之外，“自限制”也是抑制锂离子电池热失控的有效方法，例如Liu等人开发的一种无纺布个膜，其中的纤维具有空心结构，内部装有阻燃剂，一旦电池内部温度超过一定的温度，能够向电解液中快速释放阻燃剂，从而有效的避免电池发生热失控。

除了单体电池层面的安全性，系统层面的安全性同样重要，甚至更重要，当电池组内的一只单体电池发生热失控后通常会有两种途径引起热失控在电池组内部蔓延：1）一种途径是通过单体电池之间的热传导，将温度传递到相邻的电池，引起相邻电池热失控，这种途径是相对比较容易阻断的；2）另一种途径是通过热失控电池喷出的火焰将热量传递到相邻的电池，这种传播方式并不容易阻断。

 下图b展示了热失控在电池组内蔓延的途径，首先在电池模组内的单体电池发生热失控，随后热失控向周围单体电池发生扩散，引起整个模组发生热失控，随后向周围的模组发生热失控，最终引起整个电池包发生热失控。

整体上来说，要抑制热失控在电池包内部的扩散，要比单体电池更为困难，因为电池模组在热失控过程中会释放出更多的能量。因此对于电池包的热失控抑制措施，更多的是从热失控发生的初期出发。首先是避免滥用的设计，利用电池组管理系统对电池组进行更好的热管理和电管理，同时电池模组内需要增加隔热、防火措施，避免热失控在电池组内的单体电池之间扩散。

引起动力电池热失控的因素总结起来主要有三种：1）机械滥用；2）电滥用；3）热滥用，下表中作者总结了不同原因导致的锂离子电池热失控，以及可能的抑制措施。其中机械滥用，主要发生在车辆碰撞的过程，可以通过强化电池包的结构和优化电池包的安装位置降低机械滥用导致的热失控风险。电滥用主要是发生在不恰当的快充，以及过充过程，其中过充会引起电解液分解、正极分解，不恰当的快充则会引起负极析锂，通过设计合理的BMS控制和保护策略，能够最大限度的避免电滥用。热滥用则主要发生在电池大电流充放电的过程中，电池短时间内温度快速升高，超出电池的安全使用温度范围，引起电池热失控。

随着锂离子电池能量密度的提升，高容量正极材料应用使得锂离子电池的热稳定性也出现了降低，但是通过有效的预防措施，我们可以安全的将这些高能量密度的锂离子电池应用在电动汽车上，Xuning Feng的工作为我们系统的梳理了动力电池热失控的起因和发展，以及各种可能的抑制措施，能够帮助我们开发出更为安全的材料、电池和系统。

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MitigatingThermal Runaway of Lithium-Ion Batteries, Joule 4, 1–28, April 15, 2020,Xuning Feng, Dongsheng Ren, Xiangming He and Minggao Ouyang