隨著新能源汽車的推廣和普及，鋰離子動力電池正在越來越多的進入到我們日常生活之中，鋰離子電池的高能量密度和長循環壽命賦予了電動汽車更長的續航里程和更長的使用壽命。但是作為直接關係到使用者生命財產安全的產品，動力電池的安全性自然也到了更多的關注。
歐陽明高院士作為動力電池安全研究領域的頂級專家，從事動力鋰離子電池安全研究多年，是該領域內最權威的專家。近日，Xuning Feng（第一作者）和歐陽明高院士（通訊作者）等人從材料、電池和系統三個層級上對動力電池的熱失控進行了分析，並針對性提出了抑制動力電池熱失控的措施。
下圖為一個常見的動力電池包熱失控過程，首先是電池模組內的單體電池因為機械濫用、電濫用、熱濫用，或者電池生產缺陷，導致電池在使用的過程中發生了熱失控，熱失控電池產生的高溫和火焰會引起周圍單體電池發生熱失控，導致熱失控在電池模組和電池包內部蔓延。
加速量熱設備（ARC）是研究鋰離子電池熱失控的有效方法，下圖為一個採用ARC設備研究鋰離子電池熱失控過程的簡單示意圖。ARC設備研究鋰離子電池熱失控採用的是標準的"加熱-等待-搜尋"過程，整個過程中ARC設備為鋰離子電池提供一個絕熱環境，測試過程中會對電池進行加熱，一般每升高一定溫度（通常是0.5℃或1℃）就會停止加熱，進入到等待和搜尋的過程，在這一過程中一旦發現電池的溫升速度高於某個特定數值就表示電池進入到了自發熱或熱失控過程。從下圖中一個典型的ARC測試曲線，從圖中我們可以看到三個特徵溫度：T1、T2和T3，其中T1為電池開始自發熱的溫度，通常我們將電池的溫升速度大於0.1℃/min對應的溫度定義為T1，接下來就是就是熱失控起始溫度T2，通常我們將電池溫升速度大於1℃/min時對應的電池溫度定義為T2，這兩個溫度都是表徵電池熱穩定性的關鍵溫度，T1和T2溫度越高，則電池的熱穩定性越好。而T3則為電池熱失控過程中的最高溫度，表徵電池在熱失控過程中的放熱量。
鋰離子電池熱失控主要包含內外兩個過程，其中內部過程主要包含一些電化學反應，例如正負極各自的分解反應，正負極之間的相互反應，以及內短路，外部反應則包含燃燒、爆炸等現象。
我們在ARC測試中觀測的T1、T2和T3溫度與鋰離子電池內部的電化學反應存在密切的關係，其中T1主要是負極SEI膜的破壞和再生產生的熱量引起電池自發熱，T2溫度則主要取決於正極、負極和隔膜三者中的穩定性最差的部分，T2溫度後電池開始發生熱失控，正負極之間的氧化還原反應會產生大量的熱量，引起電池溫度快速升高，電池達到最高溫度T3。
引起電池熱失控的因素很多，例如高溫或其他因素引起的隔膜失效，導致正負極發生短路，三元材料分解產生O2，不恰當充電引起的負極表面析鋰，這些因素都可能會引起電池發生連鎖反應，最終引起電池熱失控。在熱失控過程中會產生大量的氣體，研究表明三元材料的鋰離子電池每Ah容量會產生1.96L左右的氣體，因此一旦熱失控電池內會在短時間內產生大量的氣體，引起電池內部氣壓急劇升高，最終引起電池爆炸。
改善鋰離子電池的熱穩定性可以從多個較多進行著手，通過電解液添加劑的調整，在負極表面形成無機成分更多的SEI膜，能夠有效的提升溫度T1，為了避免電池發生熱失控，可以通過採用陶瓷塗層隔膜，減少隔膜在高溫下的收縮，減少內短路的風險，同時也可以從電池設計的角度，通過提升鋰離子電池的內阻降低短路電流的方式減少電池熱失控的風險。正極材料的表面包覆，減少正極材料在高溫下的分解和O2釋放，以及採用單晶材料替代二次顆粒材料都能夠有效的改善正極材料在高溫下的穩定性。除此之外，"自限制"也是抑制鋰離子電池熱失控的有效方法，例如Liu等人開發的一種無紡布個膜，其中的纖維具有空心結構，內部裝有阻燃劑，一旦電池內部溫度超過一定的溫度，能夠向電解液中快速釋放阻燃劑，從而有效的避免電池發生熱失控。
除了單體電池層面的安全性，系統層面的安全性同樣重要，甚至更重要，當電池組內的一隻單體電池發生熱失控後通常會有兩種途徑引起熱失控在電池組內部蔓延：1）一種途徑是通過單體電池之間的熱傳導，將溫度傳遞到相鄰的電池，引起相鄰電池熱失控，這種途徑是相對比較容易阻斷的；2）另一種途徑是通過熱失控電池噴出的火焰將熱量傳遞到相鄰的電池，這種傳播方式並不容易阻斷。
下圖b展示了熱失控在電池組內蔓延的途徑，首先在電池模組內的單體電池發生熱失控，隨後熱失控向周圍單體電池發生擴散，引起整個模組發生熱失控，隨後向周圍的模組發生熱失控，最終引起整個電池包發生熱失控。
整體上來說，要抑制熱失控在電池包內部的擴散，要比單體電池更為困難，因為電池模組在熱失控過程中會釋放出更多的能量。因此對於電池包的熱失控抑制措施，更多的是從熱失控發生的初期出發。首先是避免濫用的設計，利用電池組管理系統對電池組進行更好的熱管理和電管理，同時電池模組內需要增加隔熱、防火措施，避免熱失控在電池組內的單體電池之間擴散。
引起動力電池熱失控的因素總結起來主要有三種：1）機械濫用；2）電濫用；3）熱濫用，下表中作者總結了不同原因導致的鋰離子電池熱失控，以及可能的抑制措施。其中機械濫用，主要發生在車輛碰撞的過程，可以通過強化電池包的結構和優化電池包的安裝位置降低機械濫用導致的熱失控風險。電濫用主要是發生在不恰當的快充，以及過充過程，其中過充會引起電解液分解、正極分解，不恰當的快充則會引起負極析鋰，通過設計合理的BMS控制和保護策略，能夠最大限度的避免電濫用。熱濫用則主要發生在電池大電流充放電的過程中，電池短時間內溫度快速升高，超出電池的安全使用溫度範圍，引起電池熱失控。
隨著鋰離子電池能量密度的提升，高容量正極材料應用使得鋰離子電池的熱穩定性也出現了降低，但是通過有效的預防措施，我們可以安全的將這些高能量密度的鋰離子電池應用在電動汽車上，Xuning Feng的工作為我們系統的梳理了動力電池熱失控的起因和發展，以及各種可能的抑制措施，能夠幫助我們開發出更為安全的材料、電池和系統。
本文主要參考以下文獻，文章僅用於對相關科學作品的介紹和評論，以及課堂教學和科學研究，不得作為商業用途。如有任何版權問題，請隨時與我們聯繫。
Mitigating Thermal Runaway of Lithium-Ion Batteries, Joule 4, 1–28, April 15, 2020, Xuning Feng, Dongsheng Ren, Xiangming He and Minggao Ouyang
閱讀更多 新能源Leader 的文章
