鋰離子電池熱失控防控技術探究

岳仁興 劉嶸一 張建中 石兆靜 袁玉強

摘要：鋰離子電池是重要的能源動力來源，在新興產業發展中發揮重要作用。因多種因素的影響造成鋰離子電池內部出現升溫不可控的情況，從而給鋰離子電池的安全使用帶來威脅和危害。本文圍繞鋰離子電池熱失控防控技術進行了探討，通過對電池熱失控過程分析，并論述了防控鋰離子電池熱失控的技術，旨在提高鋰離子電池熱失控防控技術水平，提升電池使用安全性能。

關鍵詞：鋰離子電池、安全、熱失控防控技術

中圖分類號：TM912

1.引言

鋰離子電池的熱失控指的是因一系列因素而造成的升溫不可控現象，外在表現為著火、燃燒、爆炸等單一反應或連鎖性反應。熱失控是鋰離子電池的重要風險，因此對鋰離子電池熱失控防控技術進行分析研究十分必要。

2.鋰離子電池熱失控概述

單體鋰離子電池放熱反應過程中會引起電池內部溫度升高，因溫度升高無法被控制而產生的電池過熱、著火、燃燒、爆炸等現象都屬于鋰離子電池熱失控的危害性表現。鋰離子電池內部存在一系列潛在的放熱副反應，如果電池發生短路現象或者出現過充現象，則很容易引發電池內部溫度升高，潛在的放熱副反應被相繼引發，如果反應釋放的熱量沒有及時散發，則電池內部溫度快速升高，使電池進入到熱失控狀態，引發電池安全事故。由此可見，鋰離子電池熱失控是一種內部問題，要想從根本上解決電池熱失控的問題，就要對電池熱失控的過程進行分析。

3.鋰離子電池熱失控過程分析

引發鋰離子電池熱失控的因素主要包括兩大類，一類是內部因素，包括極片發生褶皺、氮磷配比不合理、金屬雜質過多、隔膜發生缺陷或破損、水分含量過高、鋰元素析出等;另一類是外部因素，包括短路、擠壓、過充等。無論是內部因素還是外部因素引發的熱失控狀況，熱失控過程都會經歷三個階段，啟動階段、加速階段、失控階段。因此，如果在鋰離子電池沒達到失控階段的時候采取合理的防控措施，是能夠避免電池熱失控惡化的[1]。

對鋰離子電池熱失控過程進行分析，可通過對電解液和電極的反應機理進行測試，通過分析電解液在加熱條件下的熱效應以及電池負極的分解情況，從而找到鋰離子電池出現熱失控的溫度臨界點或溫度區間。如溫度在110～150℃，主要反應是LixC6電解，鈍化膜破裂;溫度在130～220℃，主要反應是LiPF6電解質溶解;溫度在160～190℃，主要反應是P.P.隔膜熔化，反應為吸熱反應;溫度在150～300℃，主要反應是Li0.1Mn2O4分解反應;溫度在240～350℃，主要反應是LixC6和PVDF粘結劑分離，伴隨電池爆炸。鋰離子電池的并聯或者串聯方式不同，會對電池內部熱量的集聚情況和內部壓力造成影響，使鋰離子電池熱失控過程更加復雜。

4.防控鋰離子電池熱失控的關鍵技術

使用隔熱板等材料進行熱阻隔。熱失控電池與暫時安全的電池之間很容易發生連鎖性反應，因此通過隔熱材料對熱失控電池和安全電池之間進行隔離，阻斷熱量傳遞和高溫輻射傳播，使熱失控危害性降到最低。例如對圓柱體電池模組中電池之間的間隔距離進行調整可以控制熱量傳遞和輻射風險，有效組織熱失控蔓延。在采用隔熱材料進行熱阻隔時，還可能對熱失控電池的散熱效果造成不利影響，這是目前該防控技術研究的重點。研究人員嘗試用不完全封閉的隔熱層來尋找一個較好的效果，既能夠阻斷熱失控電池向周圍安全電池的熱傳導，同時也能夠使熱失控電池具備一定的空氣對流性，防止局部溫度過高。目前，在隔熱板的厚度研究上主要采用了模擬仿真的方式，尋找阻隔材料最優厚度。在隔熱板材料的研究上，換熱面積越大的情況下，散熱效果越好。采用泡沫基材料的風冷系統可提高換熱面積，增加散熱面積。

使用液體材料進行熱阻隔。如聚丙烯酸鈉是一種柔性水凝膠，這種水凝膠具有很強的可塑性，在電池中間可以以任何形狀存在。由于水凝膠中高含量的水具有很高的比熱容和阻抗性能，因此具有很好的隔熱效果。

在電池隔膜上或電極表面涂覆聚合物材料，使鋰離子電池具有熱關閉功能。由于電池隔膜或電極表面具有聚合物層，聚合物層是多孔結構，因此在常溫下，離子可以自由通過隔膜。當電池出現短路情況或出現過充情況時，電池溫度升高，在高溫條件下，涂覆的聚合物一旦達到熔化溫度就會發生熔化，從而使聚合物層不再是多孔結構，變成致密性結構，從而切斷電池電極之間的離子傳輸，使電池反應切斷。武漢大學研究人員研究的乙烯-乙酸乙烯聚合物層表現出較好的試驗效果。在常溫下該聚合物層不會對電池性能造成不利影響，一旦電池溫度高于90℃時，聚合物層熔化形成致密隔膜。

在電池中添加特殊試劑阻斷離子傳輸。如采用具有熱聚合性質的物質作為電極材料表面涂層，或者在電池電解液中加入具有熱聚合性質的單體，通過這些添加試劑來引發聚合反應，阻斷電池離子傳輸。在正常溫度下，添加劑不會影響離子的傳輸，當溫度升高到聚合反應溫度值時，電解液發生固化或者形成致密的聚合物膜，阻斷鋰離子傳輸，實現電池熱失控防控目的。如在鋰離子電池電解液中加入偶氮二異丁腈和雙馬來酰亞胺，改善電解液對溫度的敏感性。當溫度升高到116℃時，電解液中的聚合物發生聚合反應使電解液發生固化，電池離子反應被關閉，切斷熱失控進程。由于添加劑可能會對電池電極循環穩定性帶來不穩定影響，因此限制了該技術的大規模應用[2]。

5.結語

對于鋰離子電池來說，安全性是電池大規模應用的重要技術問題。熱失控是鋰離子電池發生安全事故的重要原因。因此必須對鋰離子電池熱失控防控技術進行研究，可從外部和內部兩個路徑來阻隔熱失控進程。一方面通過在鋰離子電池內部建立起保護機制，使電池內部的離子或電子傳輸危險源被切斷，關閉電池反應;另一方面可通過采用外部隔熱層來對熱失控電池散熱進行阻隔，對周圍安全電池起到較好安全防控效果。

參考文獻

[1]郭亞洲.田相軍.凌澤.鋰離子電池失控機理研究現狀[J].電源技術，2020，44（03）：461

[2]李惠.吉維肖.曹余良.詹輝.楊漢西.艾新平.鋰離子電池熱失控防范技術[J].儲能科學與技術，2018，7（3）：376

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