評論員文章

近年我國日益嚴重的環境問題和能源危機向快速發展的傳統汽車工業提出了嚴峻的挑戰。發生的新能源汽車動力電池事故均由于電芯組之間的某一個電芯單體發生熱失控后產生大量熱，最終蔓延致周圍電芯單體受熱產生熱失控。因而， 動力電池模組安全問題的重要關注點是如何有效抑制動力電池模組內的熱失控蔓延的問題。為此，各大車企也都推出了相對的應對方案。

從新能源汽車安全事件中我們不難發現，電池的材料安全并不代表電芯安全，因為電池模組是一個復雜的系統工程。動力電池組的安全系統保障涉及到多個方面，由電芯材料、結構設計，BMS系統，PACK包裝以及充電器等組成，任何一個環節的疏忽和缺失，即使再安全的材料做出來的鋰電池也依然有安全隱患。

動力電池安全性問題概括起來叫“熱失控”，也就是到達一定的溫度之后就不可控了，溫度直線上升，然后就會燃燒蔓延致其他電芯最終爆炸。而過熱、過充、內短路、碰撞等是引發動力電池熱失控的幾個關鍵因素。

01熱失控蔓延影響因素

大家都知道，在一節電芯熱失控時無論觸發誘因為何，最終電芯都會溫度升高內部結構崩塌（隔膜熔化）這樣就必然導致內部短路。單節電芯熱失控的內短路必然會導致其它并聯的電芯向這節電芯放電，這樣會導致隨著熱失控的時間推移，其它電芯的SOC會下降。動力電池包在電芯一旦發生內部熱失控時，會迅速產生大量高溫氣體和顆粒混合物，這些氣體具有可燃性，使動力電池箱體內壓急劇增加。如果氣體不能得到有效釋放，將造成兩個潛在危害：一是高溫氣體（與熔融物）加熱周圍電芯，可能引發其他電芯發生熱失控；二是IP67級的箱體，具有很強的密閉性，有可能會炸裂，或嚴重形變，讓外部空氣進入，產生明火從而加速電芯之間的熱失控的蔓延。

從熱失控的觸發間隔時間來說總體有一點波動，但是并沒有明顯的單調變化的規律，基本都是一節電芯。一開始一節電芯的充電電流是所有電芯公共分攤得來，但是隨著熱擴散的進行還存活的健康電芯越來越少。

分析結果顯示熱失控的電芯通過電池組外殼向下一節電池的傳熱是主要的傳熱路徑，通過極柱連接片的傳熱量相對來說非常小。同時，有較多的熱量傳遞回上一節電芯或擴散到電池包的環境中。

熱失控蔓延會受到抑制是因為電芯之間的傳熱量減少。而電芯向環境的傳熱量增加，熱失控蔓延的判斷是要看另一節電芯的最高溫度是否達到熱失控觸發溫度。因此，各種熱傳遞路徑是否造成下一節電芯局部熱點可能是更重要的。

另一方面越是并聯數多，最后一個電芯就越能在整個過程中放出更多的電量，那當熱失控最終蔓延到這節電芯時它的熱失控風險就會提升。由于電池熱失控過程中往往都是先發生內部短路，對于并聯電芯組來說某節電芯熱失控后，與其并聯的電芯會向其放電，引起其溫度進一步的升高，最終可能會加速熱失控蔓延的發生的因素之一。

02熱失控蔓延防控技術研究現狀

基于熱失控機理，清華大學電池安全實驗室發展了動力電池熱失控主動安全防控技術——電池充電析鋰與快充控制、電芯內短路與電池管理、單體電芯熱失控與熱設計，在前面幾種防控措施失效情況下，還有最后一關就是系統層面的防控，即電池系統熱蔓延與熱管理。

部分電池包生產商會通過填充物實現隔離來防止熱失控蔓延。隔離的目的是阻斷傳播，它包括電池包內的隔離，電池包外的隔離。電池包內的隔離包括利用縱橫梁對模組進行隔離，利用耐火隔熱材料填充進行隔離。根據分析可大致分為以下兩種：

一、這些結構要能夠耐高溫，導熱率越低越好；同時，在各自區域的電池箱下殼體底部和側面均設置有云母紙，要求耐溫500-800℃高溫，阻燃UL94V-0。

二、采用耐火隔熱材料，在動力電池包與車輛之間建立隔熱屏障，延緩電池箱高溫擴散至乘客艙。

被動防護的很大一部分工作是傳遞給零部件企業或材料企業，他們需要提供好的防爆產品和耐火隔熱材料。動力電池包層面重要的工作則是構建一個有效的防護系統，將各種方案和技術配置一個最適合自己的設計。而廣州市綠原環保材料有限公司研發的德耐隆改性耐火隔熱氈成本更低效果更好的抑制熱失控蔓延。

德耐隆改性耐火隔熱氈材料能在各種電子設備和汽車應用中脫穎而出，并且能應對大容量動力電池系統和其他部件的設計和生產的挑戰，主要歸功于以下特點：

•產品密度150kg/m³（GB/T5480-2008）

•長期服務溫度 -200℃至1200℃ （GB/T17430-1998；ASTM C 447）

•壓縮強度（變形10%:≥67kPa；變形25%:≥250kPa）

•產品憎水率≥98%（GB/T10299-2011）

•導熱系數不高于0.02W/m.k（GB/T10295-2008；ASTM C 447）

•加熱線收縮率＜2%@650℃（ASTM C 356）

•燃燒等級 A級（GB 8624-2012）

該產品由二氧化硅及陶瓷纖維氈復合制備而成，產品內部具有納米級 空隙可以減慢熱傳導，提供最低的熱傳導值,抗熱沖擊性優異。該纖維氈能夠在壓縮70%后完全回彈，能夠承受自身重量的數千倍的重壓而不發生碎裂，過千次壓縮循環測試后仍具有很好的回彈性。更重要的是，這種納米氧化硅纖維氈能夠在1500℃丁烷火焰和液氮中保持良好的柔性，長期使用溫度為1200℃。高溫下穩定性好，不脆裂。可作為高溫隔熱密封墊，阻隔熱短路，熔融金屬處密封墊,隔離(防燒結)材料領域。

基于相變材料的抑制電池組高溫熱失控而填充制備了熱響應、超強、超薄（1 mm）的柔性德耐隆改性耐火隔熱氈復合材料，用于分級抑制電芯之間熱失控蔓延。改性耐火隔熱氈中的改性材料在正常條件下具有可靠的導熱性，在高溫下具有較高的熱靈敏度。熱失控產生后隨著電芯的高溫會引起德耐隆改性耐火隔熱氈的汽化，伴隨吸收大量的熱量，并釋放大量的滅火劑。改性材料釋放后剩余的德耐隆改性耐火隔熱氈，具有超低的熱導率小于（0.02W/m.k），可以繼續阻止熱量電芯之間傳遞，在一定程度上抑制系統級的熱失控。因此，帶有這種改性耐火隔熱氈的電池組在正常工作溫度下顯能夠正常熱管理，并且在異常條件下具有很高的阻斷熱失控的能力。此外，它具有可批量化生產、加工性能好、觸發溫度可調等特點，可用于制造一系列先進、安全、耐用的改性耐火隔熱氈。其應用領域甚至可以擴充到油罐應急材料、空間探測和消防設備等。

03結語與展望

多并聯電芯配置的模組中熱失控如果時間足夠長，后面的電芯就能把電量放走，使之SOC下降，讓熱失控擴散到周邊的電芯從而增加其他電芯溫度飆升。動力電池組的熱失控蔓延的影響因素主要是熱傳導。

多并聯電芯熱失控有三個過程，誘發、溫度過高致電芯內部有噴發和著火蔓延。電池包熱失控有各種各樣的誘因，已經有很多的測試數據了。電芯內部溫度到達一定之后就會產生噴發和著火，這主要原因是由電解液的狀態、電解液的沸點決定的。有一次噴發、二次噴發最后是著火蔓延。

通過使用超低熱導率材料來實現電芯之間高效的熱失控阻斷，是近年來許多材料商的發展目標。但超低熱導率材料必須能滿足耐溫高。特別是對于鋰電池耐溫必須超過1200℃的前提條件。

近年來隨著新能源鋰電池的廣泛發展和應用，鋰電池的能量密度一直在提升，電動汽車的電池包續航時間不斷延長。在新能源汽車發展飛速的背后電池包安全性質疑從未停止，由鋰電池引發的火災、爆炸的事件也越來越多。

鋰電池體積能量密度的不斷上升，鋰電池的熱失控觸發溫度也在持續的降低，從擬合結果來看，電池的體積能量密度每提高1Wh/L，電池的熱失控觸發溫度就要下降0.42℃。

為了實現熱失控蔓延的延遲或者阻斷，也可以通過蜂窩式單獨腔體結構或仿熔斷器的鎳帶設計等方式來防止熱失控蔓延，這是目前比較常用的解決方案。考慮到成本和電池包體積重量問題和需要主動性抑制電芯與電芯間的熱傳遞，我們需要一種更輕薄更高效的材料介入。在電芯與電芯之間的熱傳遞過程中，熱觸發的德耐隆改性耐火隔熱氈會被釋放，材料本身的超低熱導率及良好的柔性和1500℃以上的高耐溫等級使其有效地抑制隔斷溫度的傳遞，從而抑制了電池組件的著火蔓延。

利用德耐隆改性耐火隔熱氈來實現熱觸發的吸熱、滅火和隔熱。基于德耐隆改性耐火隔熱氈的多孔特性和內部具有納米級空隙可以減慢熱傳導，提供最低的熱傳導值，抗熱沖擊。德耐隆改性耐火隔熱氈的耐高溫性能和超低熱導率（0.02W/m.k）對電池熱失控蔓延過程影響較大。通過對熱失控傳播過程的分析,我們發現在德耐隆改性耐火隔熱氈熱管理條件下，熱失控具有“局部性”的特點，德耐隆改性耐火隔熱氈能夠保護電池模組內的電芯之間不受熱失控產生的高溫的影響。