鋰離子動力電池作為電動汽車的主流動力源，具有高比能量的特點。而目前汽車用動力電池多采用數(shù)量較多的小容量電池進行串并聯(lián)成組以滿足高能量的要求。這樣，汽車動力電池系統(tǒng)的安全問題就不再僅僅是電池單體的安全問題，而是電池成組安全問題。近年發(fā)生的汽車動力電池事故，均是由于電池組中的某一個電池單體發(fā)生熱失控后產(chǎn)生大量熱，導致周圍電池單體受熱產(chǎn)生熱失控。這樣，電池組內的熱失控蔓延問題就是電池成組安全問題的主要關注點。

如果探究清楚熱失控蔓延的機制，有效地對熱失控的蔓延進行阻隔，使熱失控局限于電池單體，就可以將危害降到最低。目前針對電池熱失控蔓延的研究還不多，近些年電池安全問題受到關注之后有部分學者對動力電池熱失控蔓延進行了試驗和仿真研究。電池熱失控蔓延的有效防控技術的相關研究也在開展。本工作將圍繞熱失控蔓延機制及建模研究、熱失控蔓延安全防控技術這兩個方面，對其研究現(xiàn)狀進行綜述，并探討熱失控蔓延相關研究的發(fā)展方向。

重點內容導讀

1熱失控蔓延機制研究現(xiàn)狀

1.1熱失控蔓延機理研究

已經(jīng)有大量學者進行了鋰離子動力電池單體的熱失控機理的研究。圖1為某款NCM三元/石墨鋰離子動力電池單體的熱失控機理，可以看到熱失控發(fā)生時，各種材料相繼發(fā)生熱分解反應，使得電池體系內部溫度不可逆的快速升高。具體包括：SEI膜分解，負極與電解液反應，正極分解，電解液分解，電解液燃燒等。電池熱失控過程的放熱速率開始時是緩慢增加的，直到某一溫度點時，放熱速率開始快速增加，電池進行劇烈的能量釋放，稱為熱失控觸發(fā)溫度（TRonset）。

圖1三元/石墨鋰離子動力電池單體熱失控反應機理

FENG等針對6節(jié)25A·h三元鋰離子電池組成的串聯(lián)模塊，進行了針刺觸發(fā)的熱失控實驗，進而對熱失控蔓延機理做了分析。當方殼型電池發(fā)生熱失控時，通過電池正面接觸而產(chǎn)生的側向加熱非常劇烈，導致被加熱電池內部在厚度方向上溫度梯度很大，熱失控蔓延的發(fā)生是由于電池前端面溫度達到熱失控觸發(fā)溫度來判定，見圖2。

（a）熱失控蔓延溫度分布

（b）電池中心溫度

圖2方殼電池熱失控蔓延過程示意圖

熱失控的發(fā)生意味著隔膜的崩潰，同時發(fā)生大規(guī)模內短路，因而對于兩節(jié)并聯(lián)電池，在熱失控蔓延過程中，電壓下降和熱失控發(fā)生時間呈現(xiàn)一定的相關性，見圖3。

圖3熱失控蔓延電壓特性

1.2熱失控蔓延模型研究

單體熱失控模型是熱失控蔓延模型的基礎，因此，下面將分別針對單體電池熱失控建模與熱失控蔓延建模方面的研究進行概述。

圖4熱失控蔓延三維模型的溫度分布

1.3熱失控蔓延影響因素

影響熱失控蔓延特性的因素有很多，首先是電池本身的熱失控特性，如電池熱失控特征溫度、能量釋放速率等；其次電池的散熱條件以及電池之間的傳熱條件，如前所述，熱量傳遞是電池組熱失控蔓延的重要原因，因此傳熱特性也是直接影響熱失控蔓延速率的重要因素；另外，電池發(fā)生熱失控時會噴出高溫氣體和顆?；旌衔?，這些氣體具有可燃性，極易發(fā)生起火，這些高溫噴出物以及噴出物燃燒產(chǎn)生的火焰會加熱周圍電池，從而加速熱失控蔓延的進程；除此以外，電池之間的電連接也會影響熱失控的蔓延。

（a）

（b）

圖5熱失控蔓延熱流途徑分析

（a）M型連接

（b）S型連接

圖6兩種并聯(lián)連接形式

2熱失控蔓延防控技術研究現(xiàn)狀

目前已有的熱失控蔓延防控方面的研究是從模組或電池包的角度，主要通過熱管理的手段，抑制熱失控在電池之間的蔓延，以防止電池包中一節(jié)電池發(fā)生熱失控后，逐漸蔓延到周圍電池。對于方殼型電池來說，通過防控技術使得相鄰電池前端面溫度無法達到熱失控觸發(fā)溫度TRonset，就可以實現(xiàn)熱失控蔓延的抑制。

2.1空氣冷卻

空氣冷卻是一種較為簡單的熱管理方法，且由于其在成本和體積效率上的優(yōu)勢被一些混合動力汽車采用，例如豐田Prius、EncrlThinkCity等。

圖7空冷流道設計

2.2液冷

液冷系統(tǒng)通常由水泵驅動液體流動，液體不與電池直接接觸，而是通過金屬管、冷板等方式實現(xiàn)電池向冷卻液中的熱量傳遞，通常需要外部換熱器件來實現(xiàn)冷卻液中的熱量散到環(huán)境中。由于冷卻液一般具有較高的比熱容，因此較容易實現(xiàn)電池組溫度的一致性。并且具有較好的冷卻效果，可以保證較大倍率下電池溫度仍然在較合理的溫度范圍內。其缺點是冷卻系統(tǒng)復雜，有管道、水泵、換熱器等輔助器件，增加了系統(tǒng)的復雜度，同時冷卻液的泄露風險也帶來了新的安全性問題。

（a）常規(guī)管道液冷系統(tǒng)

（b）水凝膠液冷系統(tǒng)

圖8常規(guī)管道液冷與水凝膠液冷

2.3相變冷卻

風冷和水冷方法，除了還在研究中的水凝膠方法以外，都是主動冷卻方法，需要在系統(tǒng)中加入額外的驅動器件，導致系統(tǒng)復雜度變高，而以相變冷卻為主要手段的被動冷卻在這方面優(yōu)于風冷和液冷。相變材料冷卻熱管理可以分為固液相變和液汽相變。

圖9PCM相變材料及鋁冷卻塊冷卻效果對比

2.4應急冷卻技術

應急冷卻技術是指當檢測到電池熱失控的發(fā)生時，針對熱失控及其周圍電池進行冷卻劑噴淋，以降低局部溫度，達到抑制熱失控蔓延的目的。

2.5防火安全性設計

電池發(fā)生熱失控，常常伴隨著高溫氣體的噴出，由于噴氣氣流速度快、電池內部結構被破壞，電池內部部分材料會隨氣流一起噴出。這些噴出物一方面溫度較高，接觸周圍電池會加速熱失控的蔓延；另一方面具有可燃性，噴出過程極易產(chǎn)生火星，噴出后在空氣環(huán)境中易于起火。如何對噴出物進行火災防控，是需要研究的重要問題。

燃料電池在實用性和經(jīng)濟方面并不占優(yōu)勢，但這種情況可能剛剛被改變。有一種新的電池可以在與汽車發(fā)動機相當?shù)臏囟认率褂昧畠r的燃料，并且降低材料的成本。

佐治亞理工學院(GeorgiaInstituteofTechnology)的研究人員說，雖然這個電池目前只停留在實驗室里，但它有很大的潛力，有朝一日可以為住宅和汽車提供電力。

在《自然能源》(NatureEnergy)雜志上發(fā)表的一項最新研究中，研究人員詳細描述了他們如何在新發(fā)明的燃料催化劑的幫助下重新構造整個電池。這種催化劑并不使用昂貴的氫燃料，取而代之的是便宜且容易得到的甲烷。

整個電池改進的最大突破在于降低了的電池的工作溫度，而這在甲烷燃料電池中很常見，這是一項驚人的工程成就。甲烷燃料電池通常需要750到1000攝氏度的溫度才能運行。這個新引擎只需要500攝氏度左右即可正常工作，這甚至比運行在600攝氏度左右的汽車內燃機還要低一個檔次。這種較低的溫度可能會讓操作燃料電池所需的輔助技術的成本大幅降低，從而有可能推動這種新型電池實現(xiàn)商業(yè)化。

研究人員相信工程師們可以通過適當?shù)呐?，在這種燃料電池周圍設計出電力裝置，這是以前的甲烷燃料電池所沒有的。

首席研究員MeilinLiu在佐治亞理工學院的實驗室中拿著一個新的、實用的、價格合理的燃料電池單元。

感覺就像進入了新的世界

領導這項研究的是喬治亞理工學院材料科學與工程學院的教授劉美林(MeilinLiu)，他說，我們的電池可以制造出一個簡單、健壯的整體系統(tǒng)，使用廉價的不銹鋼來制造連接器。連接器是幫助將許多燃料電池組合到一個堆?；蚬δ軉卧牟考?。在750攝氏度以上的高溫下，沒有一種金屬能在不被氧化的情況下經(jīng)受住這樣的高溫，所以你在獲取材料方面會遇到很多麻煩，而且這些材料非常昂貴和脆弱，而且有可能會污染電池。

當我們把溫度降低到500攝氏度，感覺就像進入了一個新的世界。Liuslab的研究生研究助理、該研究的首批作者之一本.德吉利(BendeGlee)說，很少有人嘗試過這種方法。當溫度那么低的時候，工程師設計堆棧和連接技術的工作就會容易得多。

而且，這種新型電池并不需要一種稱為蒸汽轉化器的主要輔助設備，一般情況下需要蒸汽轉化器將甲烷和水轉化為氫燃料。Liu，deGlee以及聯(lián)合第一作者于晨(YuChen),Liuslab博士后研究員，和堪薩斯大學的共同第一作者YuTang于2018年10月29日發(fā)表了他們的研究成果。他們的工作由美國能源部的基礎能源科學辦公室和高級研究項目機構(ARPA-E)資助。它還得到了國家化學科學基金會的資助。

博士后研究員于晨(YuChen)在佐治亞理工學院梅林劉實驗室的一個單元中設置了新的燃料電池。

分布式發(fā)電

這項研究基于一種具有商業(yè)可行性的燃料電池，固體氧化物燃料電池(SOFC)。SOFC以其在燃料使用上的多功能性而聞名。

如果投入市場，盡管這種新型電池在一段時間內可能無法為汽車提供動力，但作為一個更加分散、更清潔、更廉價的電網(wǎng)的一部分，它可以更快地被安置在地下室。

燃料電池堆本身的大小相當于一個鞋柜，加上一些輔助系統(tǒng)使其運行。希望你能像安裝無水箱熱水器一樣安裝這個設備。它將用天然氣為你的房子供電，劉說。

“這將為社會和工業(yè)節(jié)省下建造新發(fā)電廠和大規(guī)模電網(wǎng)的巨大成本。這將使家庭和企業(yè)的供能更加獨立。這種系統(tǒng)被稱為分布式發(fā)電，我們的贊助商想要開發(fā)這種系統(tǒng)。”

自制的氫

氫是燃料電池的最佳燃料，但其成本過高。

研究人員研究出了如何通過新型催化劑將燃料電池中的甲烷轉化為氫氣。這種催化劑由鈰、鎳和釕制成，化學配方為Ce0.9Ni0.05Ru0.05O2，簡稱CNR。

當甲烷和水分子接觸到催化劑和熱量時，鎳就會在化學上分解甲烷分子。釕同樣適用于水。由此產(chǎn)生的部分會以非常理想的氫(H2)和一氧化碳(CO)的形式重新組合在一起，研究人員驚奇地發(fā)現(xiàn)這兩種物質得到了很好的利用。在大多數(shù)燃料電池中，CO會導致性能問題，但在這里，CO被用作燃料。

包括全新技術在內的層疊式創(chuàng)新使研究人員能夠重構燃料電池，使其在較低溫度下使用甲烷運行。圖中綠色的是釕鎳基催化劑，是新燃料電池中的一種創(chuàng)新材料。

發(fā)電過程

H2和CO繼續(xù)進一步形成構成陽極的催化劑層，將一部分電子從燃料電池中拉出，使得一氧化碳和氫氣帶正電子。電子通過導線向陰極移動，產(chǎn)生電流。在那里，極度需要電子的氧吸收電子，關閉電路，變成氧離子。電離的氫和氧以水的形式相遇并離開系統(tǒng)；一氧化碳和氧離子相遇形成純二氧化碳，可以被捕獲。

相對于產(chǎn)生的能量來說，燃料電池技術產(chǎn)生的二氧化碳比內燃機少得多。在一些燃料電池中，初始反應中的水必須從外部引入。在這個新的燃料電池中，它在最后一個反應階段得到補充，這就形成了水，然后循環(huán)回去和甲烷反應。

催化劑聚合

新的催化劑CNR是由堪薩斯大學的研究合作者制造的，是電池陽極一側的外層，同時也是防止衰變的保護劑，延長了電池的壽命。

CNR的內層和電池的另一側陰極都有很強的串聯(lián)催化劑。在陰極端，氧的反應和通過系統(tǒng)的運動通常是出了名的慢，但是Liu的實驗室最近通過使用納米纖維陰極來加快它的速度以提高輸出電流，實驗室在之前的研究中開發(fā)了這種納米纖維陰極。(見先前的研究：一種定制的雙鈣鈦礦納米纖維催化劑使超快氧進化)這些不同的催化劑的結構，以及納米纖維陰極，讓我們可以降低工作溫度，

結語

動力電池熱失控蔓延的主要影響因素是傳熱、電連接、噴出物起火。對于方殼及軟包電池來說，傳熱可能是最重要的影響因素。當方殼型電池發(fā)生熱失控時，熱失控蔓延的發(fā)生是由于電池前端面溫度達到熱失控觸發(fā)溫度TRonset來判定。為了對熱失控蔓延過程進行仿真研究，可以建立不同維度的熱失控蔓延模型，其中三維模型的仿真準確度最高，可獲得的信息最多，但計算量也最大。

在熱管理方面，目前多數(shù)研究還是從正常工況下的溫度控制角度進行，針對熱失控蔓延抑制的研究還不太多。在幾種熱管理手段中，液冷、相變冷卻、應急冷卻可能是抑制熱失控蔓延較有效的方法。熱管理系統(tǒng)在考慮管理效果的同時，還要考慮其對電池組成組效率、成本增加、復雜程度等方面的影響。防火安全性設計目前主要是一些簡化的試驗研究，缺乏有力的數(shù)據(jù)支撐，因此有必要從電池熱失控可燃性氣體成分、流動等角度，為防火設計提供更多的理論研究基礎。