电池模组热失控蔓延抑制详解

背景

模组的热蔓延包括了以下几个过程：电芯热失控触发的累积阶段、电芯发生热失控阶段和电池模组中热失控的蔓延阶段。单个电芯发生热失控释放的热量有限，不会造成过于严重的危害，但电芯发生热失控后会迅速蔓延其周围的电芯，相邻的电芯会被热失控产生的热量传递，也发生热失控现象，引发“多米诺骨牌”效应，使得整个模组进入整体热失控阶段，释放巨大能量，图1为模组热失控试验后，热蔓延无法抑制，模组起火的图片。

电芯本体的导热系数具有多向异性，在平行于卷芯方向的导热系数较大，而垂直于电池卷芯方向的导热系数较小。而电芯热失控蔓延又与导热系数密切相关，因此热失控在电芯侧面蔓延的速度远大于垂直于在极片上蔓延的速度。这表明，热失控在电池模组和电芯中的蔓延可以在一定程度上视为一维传播。且现在为了追求高比能量，模组中电芯的间距过小，加剧了热蔓延的传播。因此，抑制或者阻断电芯热失控在模组中的蔓延，被认为是有效的减小热失控危害的手段。

 

模组热失控抑制方法

常见的热失控蔓延抑制方法可分为主动抑制和被动抑制两大类。

主动抑制

热失控蔓延的主动抑制方法大多数基于热管理系统。

• 液冷管道。比如在模组底部或四周布设管道，注入冷却液体。冷却液的流动能有效抑制热失控蔓延的影响。

• 灭火管道。在模组上方安装灭火管道，当有电芯热失控时，电池喷出的高温气体会触发模组顶部的灭火管道。灭火管道内的灭火剂喷出，从而抑制热失控蔓延。

但是，依靠热管理系统对热失控蔓延进行抑制，往往需要在模组中增加多种附件，使模组成本提高，比能量降低。而且实际发生热失控时，热管理系统在热失控过程中存在失效可能性，无法有效抑制热蔓延。

被动抑制

被动热失控抑制方法是在电芯发生热失控以后，将保护材料（一般有吸热、隔热功能）放置于模组中失控的电芯与未失控电芯之间以阻碍或阻断热失控的传播。其中方形和软包电芯通常将隔热材料或相变材料放在电芯的侧面间，而圆柱电芯则多采用特殊的隔热支架进行热失控蔓延的阻隔。

通常使用的保护材料需具备以下特点：

1. 低导热系数，这失控电芯的热量不能在短时间内传递到相邻电芯中，相邻电芯温度缓慢上升，减缓热蔓延传播；

2. 耐高温，避免在高温下分解，失去阻热能力；

3. 低密度，减少对电池包的体积比能量和质量比能量的影响。

理想的保护材料应该在阻止失控电芯热量向周围扩散的同时还能够吸收热失控电芯释放的热量。即同时具有隔热与吸热功能。

保护材料分析

• 气凝胶

气凝胶被称为“最轻的保温材料”，不仅有阻热和隔热功能，还兼具重量轻，低密度和低导热系数等优点。目前被广泛用于电池模组中的热失控蔓延防护。目前市面上有不同种类的气凝胶类材料，比如二氧化硅气凝胶、陶瓷纤维气凝胶、玻璃纤维气凝胶及预氧化丝气凝胶。有文献研究了不同气凝胶隔热层的热蔓延抑制效果。隔热层材质不同对热失控蔓延特征会产生不同程度的影响，根本原因是不同隔热层材质在电池发生热失控时导热系数不同。而材料导热系数与其自身的微观结构有着密切的联系。图2为不同材质隔热层燃烧前后的微观SEM形貌。

研究表明，纤维类隔热层虽然价格低，但热蔓延抑制效果一般，整体不如气凝胶类。而在气凝胶类隔热层中预氧化丝气凝胶燃烧后结构最完整，隔热能力最强，其次是陶瓷纤维气凝胶。

• 相变材料

相变材料由于其吸热特性，在热失控蔓延抑制上也被广泛使用。常见的相变材料是石蜡，具有稳定的相变温度。在热失控蔓延抑制的过程中，热量释放巨大且迅速，需要相变材料具有较高的吸热效率。石蜡的导热系数较低的，其吸热效率受到一定影响。为了解决这一问题，研究者们将相变材料和其他材料结合，如加入金属颗粒，使用金属泡棉承载相变材料，加入石墨，碳纳米管或膨胀石墨等，以此来提高相变材料的导热系数。且膨胀石墨还能对热失控火焰有一定抑制。

亲水聚合物体系作为一种相变材料，也被用作热失控蔓延抑制材料。比如二氧化硅溶胶、饱和氯化钙溶液、磷酸四乙酯、磷酸四苯酯、聚丙烯酸钠等。

• 混合材料

仅使用隔热材料气凝胶，不能够完全阻断电芯热失控在模组内的蔓延。想要成功阻隔热失控，还需要与相变材料结合。

除了使用气凝胶+相变材料，利用材料的导热系数不同，组合成各向异性的多层材料，也可抑制热失控蔓延。比如紧挨着电芯的为导热系数高的导热材料，便于电芯的热量能够快速导出到外部。两层导热材料中间设置有隔热材料，以此阻止热失控电池的热量向相邻的电芯传递。

总结

如何有效控制电池模组热失控蔓延是一个复杂的课题，有一些厂家虽然通过抑制方法控制模组热失控蔓延，但苦于成本、产品体积/质量能量密度等问题，还在不断探索新的方式方法。我们也将继续关注行业内的研究成果和应用成果，提出更优的方案。目前还没有一种“超级材料”能完全阻断热失控。对热失控蔓延抑制材料的选择需要针对实际电池模组，电芯材料，排布结构进行多次试验研究，才能得到最优方案。