1．電解液阻燃劑

 

 

電解液阻燃劑是一種非常有效的減少電池熱失控風險的辦法，但是這些阻燃劑往往會對鋰電池的電化學性能萌生嚴重的影響，因此難以在實際中使用。為知道決這一問題，美國加州大學圣迭戈分校的YuQiao團隊【1】采用膠囊封裝的方式將阻燃劑DBA（二芐胺）儲存在微型膠囊的內部，分散在電解液中，在平時不會對鋰電池的電性能萌生影響，但是當電池受到擠壓等外力破壞時，這些膠囊中的阻燃劑就會釋放出來，對電池進行“毒化”引起電池失效，從而避免熱失控的發(fā)生。2018年YuQiao團隊【2】再次利用了上述技術，采用了乙二醇和乙二胺作為阻燃劑，封裝后裝入鋰電池內部使得鋰電池在針刺試驗中最高溫度下降了70％，顯著降低了鋰電池熱失控的風險。

 

上面提到的辦法都是自毀式的，也就是說該阻燃劑一旦發(fā)生作用，整個鋰電池就要報廢了，而日本東京大學的AtsuoYamada團隊【3】開發(fā)了一種不會影響鋰電池性能的阻燃電解液，該電解液采用了高濃度的NaN（SO2F）2（NaFSA）orLiN（SO2F）2（LiFSA）作為鋰鹽，同時向其中添加了常見的阻燃劑磷酸三甲酯TMP，顯著提高了鋰電池的熱穩(wěn)定性，更厲害的是阻燃劑的添加并沒有對鋰電池循環(huán)性能萌生影響，采用該電解液的電池能夠穩(wěn)定循環(huán)1000次以上（C／5循環(huán)1200次，容量保持率95％）。

 

 

通過添加劑使得鋰電池具有阻燃特性是避免鋰電池發(fā)生熱失控的其中一種途徑，也有人另辟蹊徑，試圖從根源上避免外力導致的鋰電池內短路的發(fā)生，從而達到釜底抽薪的目的，徹底杜絕熱失控的發(fā)生。針對動力電池在使用中可能面臨暴力沖擊的情況，美國橡樹嶺國家試驗室的GabrielM．Veith設計了一種具有剪切增稠特性的電解液【4】，該電解液利用了非牛頓流體的特性，在正常狀態(tài)下，電解液呈現(xiàn)的是液體狀態(tài)，但是在遭遇猛然的沖擊時則會呈現(xiàn)固體狀態(tài)，變得異常堅固，甚至能夠達到防彈的效果，從根源上避免了在動力電池發(fā)生碰撞時電池內短路導致熱失控的風險。

 

 

2．電池結構

 

 

接下我們來從電池單體層面上看看要怎么樣給熱失控踩下剎車，目前鋰電池在結構設計中都對熱失控的問題進行了考慮，例如在18650電池的上蓋中一般都會有泄壓閥，在熱失控時能夠及時將電池內部過高的壓力進行釋放，其次電池上蓋中會有正溫度系數(shù)材料PTC，在熱失控溫度上升時PTC材料的電阻顯著增大，以減少電流減少產(chǎn)熱。此外，在單體電池結構設計時還需要考慮正負極之間的防短路設計，避免因為誤操作、金屬多余物等因素導致電池發(fā)生外短路，引起安全事故。

 

 

其次在電芯設計時，需要采用更加安全的隔膜，例如在高溫下自動閉孔的三層復合隔膜，但是近年來隨著電池能量密度的不斷提升、隔膜薄型化的趨勢下三層復合隔膜已經(jīng)逐漸被淘汰，取而代之的陶瓷涂層隔膜，陶瓷涂層能夠對隔膜起到支撐作用，減少隔膜在高溫下的收縮，提高鋰電池的熱穩(wěn)定性，減少鋰電池發(fā)生熱失控的風險。

 

 

3．電池包熱安全設計

 

 

動力電池在使用中往往都是由數(shù)十只、數(shù)百只甚至是數(shù)千只電池通過串并聯(lián)組成，例如特斯拉的ModelS的電池包中就由多達7000只以上的18650組成，如果其中的一只電池發(fā)生熱失控，就可能會在電池包內蔓延，引起嚴重的后果。例如，2013年1月發(fā)生在美國波士頓的一架日本航空公司的波音787客機鋰電池起火事件，依據(jù)美國國家運輸安全委員會的調查，就是由于電池包中的一只75Ah方形鋰電池發(fā)生熱失控后引發(fā)了相鄰的電池熱失控，這次事件后波音公司要求在所有的電池包上都要增加戒備熱失控擴散的措施。

 

 

為了避免熱失控在鋰電池內部蔓延，美國AllcellTechnology公司開發(fā)了一款基于相變材料的鋰電池熱失控隔離材料PCC【5】。PCC材料填充在單體鋰電池之間，在鋰電池包正常工作的情況下，電池包萌生的熱量可以通過PCC材料快速傳遞到電池包外，在鋰電池發(fā)生熱失控時，PCC材料可以通過其內部的石蠟材料熔化吸收大量的熱量，阻止電池溫度進一步上升，從而避免熱失控在電池包內部擴散。在針刺試驗中，一個由18650電池包成的4并10串的電池包，沒有使用PCC材料時，一只電池熱失控最終引發(fā)了電池包中20只電池發(fā)生熱失控，而采用PCC材料的電池包中，一只電池熱失控并未引發(fā)其他電池包熱失控。

 

 

鋰電池熱失控是我們最不愿意看到、極力避免的鋰電池安全事故，提高鋰電池的安全性、避免熱失控的發(fā)生需要從電池配方設計、結構設計和電池包的熱管理設計上多管齊下，共同提高鋰電池熱穩(wěn)定性，減少熱失控發(fā)生的可能性。